基于溶解性微針的透皮給藥方案，用于改善血糖控制和患者依從性

天門冬氨酸胰島素（IAsp）和德谷胰島素（IDeg）作為第三代胰島素，起效時(shí)間更快或作用期更持久，可以用于模擬生理?xiàng)l件下胰島素的分泌。微針（MNs）是一種可以用于透皮給藥的器件，可以讓糖尿病患者輕松地進(jìn)行透皮胰島素治療，同時(shí)顯著減輕注射疼痛。

近期，北京化工大學(xué)郭新東教授和荷蘭格羅寧根大學(xué)Mohammad-Ali Shahbazi共同研究了溶解性微針聯(lián)合IAsp或IDeg治療作為每日多次胰島素注射的替代方案，旨在改善血糖控制和患者依從性。此外，通過(guò)研究微針的力學(xué)性能、微針中封裝的胰島素結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和透皮應(yīng)用特性，該研究評(píng)估了負(fù)載胰島素的微針在糖尿病治療中的實(shí)用性。在糖尿病大鼠體內(nèi)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，負(fù)載IAsp和IDeg的微針具有與皮下注射相當(dāng)?shù)难强刂颇芰?。此外，該研究還進(jìn)一步研究了負(fù)載胰島素微針在不同飲食條件下的治療特性和應(yīng)用策略，為未來(lái)的臨床試驗(yàn)提供新信息。綜上所述，微針有可能改善血糖控制、低血糖風(fēng)險(xiǎn)和方便性之間的平衡，為患者提供更簡(jiǎn)單的治療方案。相關(guān)研究以“Functional insulin aspart/insulin degludec-based microneedles for promoting postprandial glycemic control”為題發(fā)表在Acta Biomaterialia期刊上。

如圖1所示，載藥微針整齊地排列在貼片上，大小一致，前端尖銳。藥物在微針上的分布主要集中在微針尖端（圖1A），表明采用相同的制造工藝，胰島素溶液可以選擇性地封裝在微針的尖端，以提高透皮給藥效率和供應(yīng)到體內(nèi)的劑量精度。掃描電鏡照片顯示該研究制備的微針表面光滑，沒有裂縫（圖1B3、1C3）。

圖1 制備的載藥微針形態(tài)

從微針中溶解的胰島素CD譜與原溶液CD譜高度一致，在208nm~ 209nm和220nm~ 225 nm附近有兩個(gè)小峰（圖2），表明胰島素在二級(jí)結(jié)構(gòu)中基本保持穩(wěn)定。

圖2 Asp和IDeg經(jīng)過(guò)不同處理后的圓二色光譜（CD）

與谷氨酰胺（GLN）的氮原子相連的氫原子作為氫鍵受體，接受聚乙烯醇（PVA）的氧原子形成氫鍵，而絲氨酸（SER）側(cè)基團(tuán)中的氧原子可以作為氫鍵供體，與PVA的氫原子相互作用（圖3A、3B）。雖然A鏈中半胱氨酸（CYS）殘基的側(cè)基沒有相互作用位點(diǎn)，但其碳基結(jié)構(gòu)也使其成為氫鍵供體，吸引PVA形成氫鍵（圖3C、3D）。通過(guò)定義蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)（DSSP）程序在100 ns的模擬中進(jìn)一步分析兩種胰島素的二級(jí)結(jié)構(gòu)的演變，結(jié)果表明含有PVA分子的胰島素二級(jí)結(jié)構(gòu)分布保持穩(wěn)定，特別是對(duì)肽鏈的螺旋構(gòu)象結(jié)構(gòu)域的分布（圖3E、3F）。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)證實(shí)微針材料可以通過(guò)氫鍵與IAsp和IDeg相互作用，但不會(huì)影響胰島素的二級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖3 PVA與胰島素相互作用研究

通過(guò)對(duì)微針施加軸向壓縮力（圖4A），并將微針插入活體動(dòng)物皮膚，該研究分析了所制備微針的力學(xué)性能，包括斷裂強(qiáng)度和插入能力。微針的力-位移曲線顯示作用力持續(xù)增加，只導(dǎo)致微針彎曲而不斷裂（圖4B、4C）。皮膚插入試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)載藥微針透皮應(yīng)用成功，在大鼠皮膚上產(chǎn)生的不可磨滅的穿刺部位（圖4D）以及表皮層內(nèi)的穿透腔（圖4E）。光學(xué)相干斷層掃描（OCT）圖像證實(shí)治療部位無(wú)皮膚病相關(guān)副作用，給藥60 min內(nèi)迅速恢復(fù)正常（圖4G、4H）。這些結(jié)果表明，該研究制備的負(fù)載胰島素微針足夠強(qiáng)，可以有效地插入皮膚，同時(shí)也具有良好的耐受性，不會(huì)引起皮膚問題。

圖4 負(fù)載胰島素微針的特性分析

OCT圖像顯示，負(fù)載IAsp和IDeg的微針可以在450μm~ 500 μm的深度有效穿透大鼠皮膚，隨后在與皮膚內(nèi)的間質(zhì)液接觸后溶解（圖5A）。應(yīng)用后，針尖在3 min內(nèi)溶解，大約一半的針高在5 min內(nèi)溶解在皮膚中（圖5B、5C），表明胰島素的釋放模式在很大程度上取決于基質(zhì)物質(zhì)的溶解。數(shù)據(jù)顯示，負(fù)載IAsp和IDeg的微針有相似的釋放趨勢(shì)，約80%的胰島素在前30 min內(nèi)釋放，在120 min內(nèi)達(dá)到水平斜率，證明胰島素的釋放模式在很大程度上依賴于基質(zhì)物質(zhì)的溶解（圖5D）。這些證據(jù)表明，含負(fù)載胰島素的微針在透皮應(yīng)用后迅速溶解，使有效載荷擴(kuò)散到皮膚下，并被體循環(huán)吸收。

圖5 微針溶解動(dòng)力學(xué)的體外研究

為了確定負(fù)載IAsp的微針對(duì)血糖管理的治療特性，在禁食條件下，將微針貼片給予鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病SD大鼠（圖6A）。在該方案中，糖尿病大鼠在微針治療前禁食6小時(shí)以上，僅篩選血糖水平超過(guò)16.7 mmol/L的大鼠，隨機(jī)分為微針治療組、SC注射組和安慰劑組（圖6B）。微針注射組和SC注射組的血糖水平在給藥30 min后均有顯著下降趨勢(shì)，并在1小時(shí)內(nèi)迅速下降到初始水平的20%左右（圖6C）。結(jié)果還表明，負(fù)載IAsp的微針在降糖給藥方面與皮下注射有相似的效果，可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到降糖目的。

圖6 負(fù)載IAsp的微針在禁食條件下治療糖尿病大鼠

在餐前給藥方案中，糖尿病大鼠在餐前0.5小時(shí)給予負(fù)載IAsp的微針貼片（微針組）、劑量匹配的SC IAsp（SC組）和PBS注射（安慰劑組）（圖7A1）。用負(fù)載IAsp的微針處理的大鼠在給藥后30 min內(nèi)血糖下降，隨后在進(jìn)食后恢復(fù)到初始水平（圖7A2）。SC胰島素注射也表現(xiàn)出類似的低血糖趨勢(shì)，表明基于微針的胰島素給藥系統(tǒng)通常是精確、有效的。通過(guò)調(diào)整給藥/喂養(yǎng)方案，以改善餐后血糖管理。給藥時(shí)間保持在8:00、12:00和17:00，而每次給藥后立即給藥2g飼料（圖7B1)。

有效降低的血糖水平和維持長(zhǎng)期的正常血糖證明，與餐前給藥方案相比，該方案表現(xiàn)出更好的IAsp作用和食物吸收的同步性（圖7B2），顯示了在減少餐后血糖振蕩和預(yù)防糖尿病后期并發(fā)癥方面的潛在適用性。食物攝入量增加的實(shí)驗(yàn)大鼠表現(xiàn)出更明顯的日內(nèi)血糖波動(dòng)和頻繁的高血糖（圖7C1、7C2）。血糖水平下降的第一個(gè)1小時(shí)治療后迅速反彈到高血糖狀態(tài)，證明胰島素劑量足以抵消膳食消費(fèi)和覆蓋餐后血糖波動(dòng)。因此，在未來(lái)負(fù)載胰島素微針的臨床應(yīng)用中，應(yīng)強(qiáng)調(diào)根據(jù)患者的特點(diǎn)量身定制治療策略。

圖7 負(fù)載IAsp的微針用于糖尿病大鼠的多餐方案

考慮到IDeg效應(yīng)的緩慢發(fā)作，所有組糖尿病大鼠在進(jìn)食前1小時(shí)進(jìn)行治療，并測(cè)量其血糖水平（圖8A）。與安慰劑組相比，微針組能夠控制餐后血糖的突然飆升，加上IDeg的漸進(jìn)作用，血糖水平恢復(fù)到正常范圍（圖8B）。血糖水平統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的箱形圖顯示，實(shí)驗(yàn)期間安慰劑組的平均值始終高于負(fù)載IDeg的微針組和IDeg注射組（圖8C）。安慰劑組大鼠的平均血糖水平在試驗(yàn)期間逐漸升高，這意味著IDeg處理組的值也會(huì)升高（圖8D）?？偟膩?lái)說(shuō)，用含IDeg的微針處理的大鼠血糖水平低于安慰劑組的大鼠，且隨著食物攝入量的增加而增加（圖8E）。對(duì)于餐前0小時(shí)測(cè)量的血糖水平，微針組下降到初始值的80%，顯著高于餐后2小時(shí)測(cè)量的血糖水平（圖8F），證實(shí)IDeg在基礎(chǔ)血糖控制方面的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用這種特性來(lái)指導(dǎo)基于微針的胰島素給藥系統(tǒng)，可以更好地管理糖尿病。

圖8 負(fù)載IDeg的微針用于糖尿病大鼠多餐方案

圖9顯示了操縱分子動(dòng)力學(xué)過(guò)程中的拉拽距離與模擬時(shí)間之間的關(guān)系，這也有助于顯示IDeg單體之間更強(qiáng)的相互作用。

圖9 胰島素單體之間的拉距與時(shí)間的關(guān)系

綜上所述，在這項(xiàng)研究中，負(fù)載IAsp和IDeg的微針通過(guò)溫和的微成型工藝制備，并分別用于調(diào)節(jié)餐后和基礎(chǔ)血糖水平。CD試驗(yàn)顯示，由于制備工藝簡(jiǎn)單、溫和，微針包裹的胰島素在二級(jí)結(jié)構(gòu)中基本保持穩(wěn)定，可以防止胰島素活性成分失效，提供良好的降血糖效果。此外，分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明，微針材料可以通過(guò)氫鍵與IAsp和IDeg相互作用，但不會(huì)影響胰島素的二級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在不同喂養(yǎng)和給藥時(shí)間的糖尿病大鼠體內(nèi)試驗(yàn)表明，制備的微針對(duì)降糖給藥的效果與皮下注射相似。負(fù)載IAsp的微針可以顯著降低糖尿病大鼠血糖水平，給藥后1 ~ 2小時(shí)內(nèi)達(dá)到最大療效，并能夠維持血糖控制3 ~ 4小時(shí)，使其適合定時(shí)用藥，以更好地同步IAsp作用和食物吸收。負(fù)載IDeg的微針不僅能減少餐后血糖波動(dòng)，而且還延長(zhǎng)治療效果的持續(xù)時(shí)間，減少日間血糖波動(dòng)，預(yù)防并發(fā)癥。

這項(xiàng)工作集中在研究負(fù)載IAsp和IDeg的微針在空腹和不同飲食條件下的降糖作用，以及使用胰島素-微針系統(tǒng)治療的糖尿病患者餐后血糖偏移和食物攝入量之間的關(guān)系，為評(píng)估負(fù)載IAsp和IDeg的微針作為基礎(chǔ)方案治療日常糖尿病的可行性提供新的信息。未來(lái)的工作可能集中在開發(fā)IAsp/IDeg混合微針，以提供更長(zhǎng)時(shí)間的基礎(chǔ)胰島素和簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)方案，以更好的治療糖尿病。

審核編輯：劉清