STEM-工程挑战 · 2020年3月2日 0

为什么不是所有药物都做成药丸?

难度 <! – 4 – >
所需时间 非常短(≤1天)
先决条件
材料可用性 一应俱全
费用 非常低(低于20美元)
安全 没有问题

摘要

没有人喜欢射击,所以我们为什么不吞下我们所有的药物呢?在这个科学项目中,您将使用模型来探索制定我们可以快速吞咽的药物的一个挑战,例如使用胰岛素(一些糖尿病患者服用的药物)。在与胃相似的环境中花费时间后,您的药物会起作用吗?

目的

使用果冻形状来模拟胰岛素(一种药物)并测试在您的模型中,胰岛素在浸泡在胃中的酶后是否有功能。

引用本页

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科学伙伴。”为什么不是所有的药丸?” 科学伙伴,2018年12月1日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/HumBio_p045/human-biology-health/pills。2019年7月6日访问。

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科学伙伴。(2018年12月1日)。为什么不是所有药物丸?从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/HumBio_p045/human-biology-health/pills

最后编辑日期:2018-12-01

简介

你有没有想过为什么某些药物可以作为药丸或液体吞服,而其他药物必须以注射的形式注射?在这个科学项目中,您将探索为什么不能使用胰岛素作为例子以药丸形式或液体形式给予每种药物。

所有镜头都可以用药片或液体代替吗?
图1. 并非所有注射都可以用药丸或液体代替。

如果您之前听说过糖尿病,您可能也听说过胰岛素。您可能已经知道患有1型糖尿病的人没有胰岛素,2型糖尿病患者的身体对胰岛素没有强烈反应(他们对胰岛素有抵抗力)。但是什么是胰岛素,为什么你的身体会对它产生反应呢? 胰岛素是一种蛋白质,可作为化学信使,打开细胞吸收葡萄糖,这是人体用来补充能量的一种糖。胰岛素的工作是帮助确保血液中含有适量的葡萄糖。葡萄糖有点像关于金发姑娘和三只熊的故事。就像金发姑娘一样,当葡萄糖水平正好时,你的身体最快乐。葡萄糖过多和葡萄糖过少都会让你感到恶心,在某些非常特殊的情况下,甚至会杀死你。因此,为了像金发姑娘一样保持健康和快乐,糖尿病患者(糖尿病患者)需要记录他们的血糖水平,以确保他们保持在”恰到好处” 的范围内。

根据疾病控制和预防中心(CDC) ),大约600万美国人,所有1型糖尿病患者和相当比例的2型糖尿病患者,需要剂量的胰岛素。对于这些患者,这意味着注射液体形式的胰岛素。为什么要注射液体而不是药丸或​​糖浆?有几个原因,但我们在这里要关注的一个主要原因是,当您注射药物时,如胰岛素,它会直接进入您的血液。相反,当您吞下药丸或液体时,药物首先通过您的消化系统,如图2所示,最终转移到您的血液中。

人体消化系统图,标有食道,胃和小肠。&#13 ;&#10;医学生物技术科学项目
图2. 吞咽的药物从您的嘴,向下穿过您的食道,到您的胃。该图仅显示整个消化系统的一部分。

在消化系统中,药物会遇到蛋白酶.蛋白酶致力于将蛋白质(如食物所组成的蛋白质)分解成较小的部分。这对于消化很重要,因为较小的部分可以被身体吸收并用作营养。相同的蛋白酶也可以作用于胃中的药物。一些药物,如阿司匹林,已经非常小,不是蛋白质,所以它们不会被蛋白酶分解或改变。但是,作为蛋白质的药物可以被分解成更小的碎片或者通过蛋白酶改变它们的形状。通常,改变蛋白质的长度或形状也会改变其功能。通过这种方式,蛋白质就像钥匙 – 它们的确切形状决定了它们是否能够正常工作。根据你所获得的信息,当你遇到胃中的蛋白酶时,你会猜到(假设)胰岛素会发生什么?

在这个科学项目中,您将使用jello切割成形状,使用饼干切割器作为胰岛素的模型。每个果冻形状代表单一胰岛素蛋白质。您将测试成形果冻(胰岛素)直接放入淡水中时会发生什么,这种环境类似于将胰岛素注入血液,与将蛋白酶置于水中时形成的果冻(胰岛素)发生的情况相比较,类似于吞咽胰岛素丸的环境。在杂货店的香料过道中发现的肉嫩化剂充满了蛋白酶(参见技术说明),因此用蛋白酶制作水非常简单 – 只需在淡水中添加嫩肉即可。表1可以帮助您跟踪每个事物在此模型中的表示。


将Jello形状置于蛋白酶溶液中

在人体中 在本项目中
胰岛素蛋白 insulin jello shape
Blood 红色水 红色水
在胃中发现的蛋白酶溶液 通过将嫩肉剂溶解在水中而形成的蛋白酶溶液 通过将肉类嫩化剂溶解在水中而形成的蛋白酶溶液模拟胃中发现的蛋白酶
注入血液中的胰岛素蛋白 Jello形状放入红色水中 血液中的胰岛素果冻
通过药丸摄取的胰岛素蛋白 摄入的胰岛素通过将jello切口置于其中来建模蛋白酶解决方案。
功能性胰岛素蛋白 Jello形状贴合在切割器内部 在这个模型中,功能性胰岛素显示为jello cut-outs拟合回到曲奇饼干。(小图)

表1。表格显示了这个科学项目中真实世界的项目。

当您将血液(有色水)放入血液中时,您认为果冻形状(胰岛素)会发生什么?这与通过胃的果胶形状(胰岛素)会发生的情况有何相似或不同(蛋白酶溶液)?从您使用此模型的实验中,您对于制造能够正常运作以帮助控制血糖水平的胰岛素药丸所面临的挑战有何期望?根据您的实验,您能否对哪种药物(不仅仅是胰岛素)难以加入液体或药丸形式进行任何概括?

顺便说一句,创造一个有效的胰岛素药丸是科学家们积极努力的问题!查看参考书目关于诺和诺德研究人员如何解决这个问题的文章。值得注意的是,胰岛素蛋白如何耐受胃中只是研究人员正在研究的一个变量。可以通过胃和身体吸收多少胰岛素,吸收可以多快发生,以及如何调整不同患者的剂量都是额外的问题!可能会发现,一种药丸形式的胰岛素仅适用于一些糖尿病患者;对于2型糖尿病患者而言,对于需要更多定制胰岛素剂量的2型糖尿病患者或需要根据他们的饮食,运动和其他方式不断调整胰岛素剂量的1型糖尿病患者,这是一种更好的潜在治疗方法。因素。

技术说明:

肉类嫩化剂中的蛋白酶将在成分列表中列为木瓜蛋白酶或菠萝蛋白酶。该项目将肉类嫩化剂的存在与否视为单一变量。一个更先进的项目可以分别查看肉嫩化剂中的不同成分,看看哪种成分有效.变体中的说明可以帮助您入门。

术语和概念

  • 糖尿病
  • 胰岛素
  • 葡萄糖
  • 消化系统
  • 蛋白酶

问题

  • 为什么药丸形式的胰岛素是如此理想?
  • 消化系统如何 – 特别是在胃中发现的溶液 – 改变药物,使药物不再能够在体内完成其工作?
  • 在这个科学项目中,您将研究在类似于胃的环境中可能发生的药物。做一些背景研究和研究当以药丸或液体形式制药时可能遇到的其他挑战.

参考书目

有关创建图表的帮助,请尝试使用以下网站:

材料和设备

  • 无味明胶粉末(5包或1 1/4盎司[35克])
  • 烤盘(2); 9英寸直径圆形烤盘或8英寸方形烤盘效果很好。
  • 烹调油,给烤盘涂上油脂(几滴)
  • 纸巾
  • 量杯(1升或4杯或更大)
    • 或者,您可以使用大碗和较小的量杯
  • 室温水
  • 沸水
  • 食用色素(红色和第二色),优选液体
  • 小曲奇饼干。像圆形或椭圆形的简单形状效果最佳。饼干切割器必须小,1-3厘米直径效果很好。
  • 砧板
  • 宽眼镜或容器;它们可以是两种不同的类型(2)
  • 肉嫩化剂(2个容器或250克)。这可以在杂货店的香料过道中找到。
  • 虽然您可能只需要1个容器,但为了防止您需要更多的蛋白酶解决方案,请保留第二个容器.
  • 开槽勺
  • 时钟或计时器
  • 实验室笔记本

实验程序

准备材料

在这个科学项目中,您将使用果冻形状代表胰岛素(药物),红色水代表血液,以及蛋白酶溶液来代表胃的环境。在制作这些组件时,本节将作为您的指南。

  1. 要制作果冻形状,首先要准备一个坚实的果冻。该过程如图3所示。
    1. 用纸巾和几滴油润湿两个烤盘的内部。这将有助于jello轻松脱离模具.
    2. 在大量杯中倒入250毫升(mL)(约1杯)水。加几滴食用色素。任何颜色除了红色效果都很好。
    3. 在有色水中溶解五种包装(1 1/4盎司或35克[g])无味明胶粉末。搅拌均匀,休息一分钟。
    4. 在你等待的时候,让一个成年人帮你加热3杯水,直到沸腾。
    5. 在成年人的帮助下,将热水加入溶解的果冻中.
    6. 搅拌直至所有明胶溶解。
    7. 将热的液体均匀地倒入两个烤盘中。两个平底锅中的果冻应该是1到1.5厘米高。
    8. 冷静直到坚定。
make jello steps
图3. 准备公司果冻的步骤显示在这组图片中。
  1. 当你等待果冻冷却时,选择你的小曲奇饼干。选择一个简单的形状,如图4所示的形状。为这个项目选择一个小尺寸的饼干切割器很重要。直径1至3厘米效果很好。图4右侧显示的三个饼干切割器适用于该项目。左边显示的饼干切割器,通过它们的”X” 太大。
切割出简单形状的小型饼干切割器最适合模拟胰岛素在这个科学项目
图4. 左侧显示的饼干切割器,通过它们的”X” 太大。选择小型饼干切割器非常重要,如右图所示。右下角的灰色箭头表示图中使用的刻度,长度为1厘米(cm)。
  1. 将两个果冻模具转移到切菜板上。
    1. 首先,小心地沿着侧面和果冻下方刮一把刮刀,如图5所示。不要试图从模具中撬出果冻。只需从边缘松开每个果冻模具。
    2. 接下来,将切菜板放在你的一个模具上,将平底锅和切菜板放在一起,然后翻过它们,使果冻落在切菜板上。
    3. 尽力将果冻放在一块,但不要担心它是否会破裂。
    4. 用第二个模具重复此步骤。
刮刀将有助于松开果冻。
图5. 在将果冻转移到切菜板之前沿着果冻的侧面滑动刮刀。
  1. 使用你的千篇一律从你的果冻中切出20个形状,如图6所示(左图)。这些形状将模拟胰岛素。
  2. 要制作红色水(造型血),将水加到玻璃杯或宽容器中,直到你有一层浅水。加几滴红色食用色素。颜色会提醒你这个解决方案代表血液;食用色素对实验没有其他影响。
  3. 要创建蛋白酶解决方案:
    1. 将1杯(约100克)嫩肉汁倒入另一个宽玻璃杯或容器中。
    2. 加入1杯水。搅拌均匀.
    3. 有些嫩肉可能会沉到水底;没关系。
  4. 图6显示了模型的主要组成部分:jello塑造胰岛素,红色水模型血液和蛋白酶解决方案模拟胃部环境。
胰岛素(果冻形状),血液(红色水)和胃环境(蛋白酶溶液) )是这个科学项目中使用的模型的主要组成部分。
图6. 胰岛素(果冻形状),血液(红色水)和胃环境(蛋白酶溶液)是用于测试胰岛素是否能够在类似于环境中存活的模型的组成部分。胃。

进行测试

在您的测试中,您将模拟摄入胰岛素(果冻形状)并通过类似于胃的环境(蛋白酶溶液),而不是注入血液中的胰岛素(红色水)。您将观察果冻形状(胰岛素)会发生什么。你期望会发生什么?胰岛素(果冻形状)是否会保持其形状,以便它能够发挥其”解锁” 细胞的功能?在进行测试之前,请务必写下来假设在你的实验室笔记本

  1. 在含有红色水的宽玻璃杯中放置10个果冻形状。如果需要,可以添加更多的水,以便所有果冻形状都浸没在水中。如果形状将彼此叠加,请小心地将所有东西转移到更宽的容器中。
  2. 重复步骤1,现在将形状放入蛋白酶溶液中。如果需要,制作另一批蛋白酶溶液(参见”准备工作” 的第6步),以便解决方案涵盖所有形状。而且,形状不应该彼此叠加。图7显示了设置的外观。
胰岛素(果冻形状)淹没在血液(红水)和蛋白酶中解。
图7. 将胰岛素(果冻形状)置于蛋白酶溶液和血液(红水)中2小时。
  1. 让它们在室温下放置2小时。
  2. 等待时,在实验室笔记本中创建如表2所示的数据表。它将帮助您记录您的观察结果。

淹没在红水中 Jello淹没在蛋白酶溶液中

果冻形状是否保持其形状?(是/否)
形状1
形状2
形状3
Shape 10
2小时后保持形状的形状数

表2。在红色水或蛋白酶溶液中浸泡2小时后,记录果冻形状是否仍适合饼干切片的表格。

  1. 2小时后,使用开槽勺从红色溶液中逐一取出果冻形状。将每个果冻形状一个接一个地放入饼干切割器中,并确定它是否紧贴饼干切割器。在数据表中记录每个jello形状的发现。
    1. 请记住,在​​简介中,jello形状正在模拟胰岛素会发生什么。功能性胰岛素必须是正确的形状.
在这个模型中,功能性胰岛素显示为装在饼干切割器中的果冻切口
图8. 将Jello形状放回模具中,观察它们是否保持其形状。
  1. 对浸没在蛋白酶溶液中的果冻形状(对胃中发现的环境进行建模)重复步骤5。将您的发现记录在数据表中。
  2. 当你看到并触摸果冻形状时,你是否看到或感觉浸泡在红色水中的那些与浸泡在蛋白酶中的那些之间有任何差异?如果你这样做,但是在进行饼干切割测试时无法测量差异,请尝试在其解决方案中将形状浸泡2小时,然后重复步骤5和6.确保创建新数据表并使用此表供您分析.

分析您的数据

  1. 使用您的数据表,计算10个果冻形状在浸没在红色水中后保持其形状的数量。在数据表的最后一行记录您的总数。
  2. 对蛋白酶溶液中出现的果冻形状重复步骤1。
  3. 可选:更高级的学生可以将总数转换为测试形状数量的百分比.
  4. 要在条形图中表示数据,请将环境(”Blood” 和”Proteases Solution” )放在水平(x轴)上,并将jello形状的数量保持在垂直方向(y轴) )。不要忘记标记图形和轴。高级学生可以绘制百分比图表。您可以手动制作图表,也可以使用创建图表使图表在线。
  5. 看看你的图表,它告诉你什么? jello浸泡在红色水中时是否保持其形状?什么时候它浸泡在蛋白酶溶液中?
  6. 请记住,这个实验模拟了人体内胰岛素的症状。根据您的数据,胰岛素(果冻形状)是否会保持其血液形状(红色水)?当它被蛋白酶包围时,胃里怎么样?
  7. 这表明制造胰岛素丸有多容易或多难?请记住回到​​简介中解释的生物学,胰岛素就像一把钥匙,它的形状需要适合能够完成”解锁” 细胞的工作.

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  • 在此测试中,您将所有果冻形状(胰岛素)浸没2小时。作为变体,您可以研究随时间的变化。为此,在每种溶液中浸没12种果冻形状(红色水和蛋白酶溶液).2小时后不再移除所有形状,而是每隔30分钟从每个解决方案中删除三个形状,并且每次测试三个形状中有多少适合您的饼干切割器。果冻形状会在有限的时间内保持形状吗?
  • 科学家和诺和诺德一样,正在寻找改变胰岛素的方法,以便它能在体内发挥作用,但不会受到胃中蛋白酶的影响。你可以做类似的事情,找到一个像jello一样的配方,但不会受到肉类嫩化剂中蛋白酶的影响吗?素食果冻会做这个工作吗?
  • 肉嫩化剂有几种成分。在这个科学项目中,您研究了有或没有嫩肉的解决方案之间的区别。作为一种变体,您可以研究嫩化剂中哪些特定成分对果冻产生影响。例如,如果盐是嫩化嫩肤剂的主要成分之一,并且您想知道蛋白酶(或其他成分)而不是盐是否会导致您的结果,您可以在您的解决方案中添加盐来模拟血液并观察发生的情况对于果冻形状。嫩肉器上的营养标签可以帮助您计算嫩肉溶液中的盐含量。将相同量的盐添加到相同量的水中以产生第二种溶液,使得嫩化剂和没有嫩化剂溶液之间的盐的存在保持相同。请注意,在建模血液的溶液中添加盐实际上效果很好,因为血液中含有钠(盐)。