PILLSID：針なしで経口摂取できるインスリン投与ロボット

2021年10月1日, 18:00

打ち上げられて国際宇宙ステーションにドッキングする補給ロケットを想像してみてください。ロケットはステーションに近づき、密閉型のロックで固定されて物資を受け渡します。では、このプロセスを縮小した版が、あなたの体の中で行われているところを想像してください。

イタリアの研究者たちは2021年8月、腸内で完全に機能するこのような「配送」を行えるロボットシステムを開発したと発表しました。このシステムは、外科手術で腹腔内に埋め込まれるインスリン配送ロボットと、装置にインスリンを供給する飲み込み式のカプセルから構成されています。

開発チームはこのロボットを糖尿病の豚3頭で試験しました。Science Roboticsに掲載された結果によると、システムは数時間にわたり豚の血中グルコース値を適切に制御することに成功しました。「体内にドッキングステーションがあると考えるとぞっとするかもしれませんが、うまく機能しました」と、論文の著者であり、ピサの高等研究院サンタンナ校で生体医工学ロボティクスを教えるアリアンナ・メンシアッシ教授は述べています。

「本研究では、PILLSIDのプロトタイプについて説明します。装置の主要部分は、個別の部品として、また統合された装置の内部で前臨床レベルで検証されています。補充機構が効果的に機能すること、そして糖尿病の豚において血中グルコース値を安全に調節できることを示しました。ロボットの重さは165グラム、サイズは78×63×35ミリメートルで、市販の埋め込み型医療機器と同程度ですが、リザーバーの補充と電力供給に関する重要な課題にも対処しています」と、科学論文には記されています。

メンシアッシ氏のシステムでは、折りたたみ式携帯電話ほどの大きさの装置を、小腸とつながる大きな腹壁の内側に沿って外科的に埋め込みます。ロボットはその空間の液体にインスリンを送り出します。リザーバーの薬剤が切れると、インスリンで満たされた磁気カプセルが移動して補充します。

人間での補充手順は理論上、次のように進みます。患者は通常の錠剤のようにカプセルを飲み込み、カプセルは消化管を自然に通過して、インプラントが設置された小腸の部位に到達します。インプラントは磁場を利用してカプセルを引き寄せ、回転させて正しい位置に固定します。その後ロボットは、飛び出す針でカプセルを突き刺し、インスリンをそのリザーバーに注入します。針はカプセルに到達するために、腸組織の薄い層も突き破る必要があります。

インプラントには全部で4つのアクチュエーターがあり、ドッキング、針の穿刺、リザーバー容量と吸引を制御するほか、ポンプも備えています。ドッキングを担当するモーターは磁石を回転させ、カプセルを所定の位置に据え付けます。著者らによると、このデザインは産業用のクランプ機構や配管点検ロボットからヒントを得たということです。

インスリンを届けた後、インプラントはカプセルを解放し、カプセルは自然に消化管を通過して体外へ排出されます。ドッキングとカプセルの解放を制御する磁場は、外部のプログラミング装置から無線で操作でき、オンとオフを切り替えられます。インプラントのバッテリーも、外部装置によって無線で充電されます。

この送達システムは、1型糖尿病の人、特に1日に何度もインスリンを体内へ注射しなければならない人にとって有益かもしれません。インスリンポンプは市販されていますが、それらは体内に挿入されたチューブや針を通じて薬剤を送る外部機器を必要とします。また、体internalに埋め込むインスリンポンプもありますが、これらは体外に突き出たチューブから補充しなければならず、細菌感染を引き起こすため、普及していません。

メンシアッシ氏によると、錠剤で補充する完全埋め込み型システムなら、突き出たチューブや外部機器は不要になります。著者らは、この仕組みは他の疾患の薬剤送達にも役立つ可能性があり、特に卵巣がん、膵臓がん、胃がん、大腸がんの患者の化学療法に有用だと述べています。

次のステップとして、著者らは埋め込み装置の密閉性をより確実にする作業を進めています。「一部の豚では、体液がロボットの内部に入り込むことを確認しました」とメンシアッシ氏は語ります。同氏によると、一部の漏れは針がインプラントから出る際のドッキング時に起きている可能性が高いとのことです。チームが以前に水中で装置を試験したときには漏れは起きませんでしたが、人体ははるかに複雑です。

生理的プロセスを置き換えたり回復させたりする、完全に埋め込み可能なロボットの開発は、医療ロボティクスにおける大きな課題です。

イタリアの研究チームのシステムが病院で使われるまでには、まだ時間がかかるでしょうが、体内から医療ニーズに応える機器はますます普及していくかもしれません。例えば2016年には、マサチューセッツ工科大学が、腸内で物を回収できる折り紙ロボットを披露しました。