严重的糖尿病患者需要胰岛素输入来维持身体的血糖平衡。然而，传统的注射方法通常与依从性差和低血糖风险增加有关。微针技术通过最大限度地减少胰岛素给药过程中的疼痛和创伤，提供了一种有前途的解决方案。尽管如此，通过具有高胰岛素负荷的微针实现长时间的血糖控制仍然是一个重大挑战。
近期，浙江大学Yu Haojie/Wang Li团队开发了一种创新的微针贴片，该贴片具有由两种改性多糖聚合物制成的葡萄糖反应性水凝胶网络，能够在不依赖葡萄糖氧化酶的情况下递送胰岛素。通过将苯硼酸改性的海藻酸钠、季铵壳聚糖和聚乙烯醇掺入水凝胶基质中创造了一个微针系统，该系统具有动态硼酸酯键和静电吸引力，从而提高了对血糖水平的敏感性（方案1）。
相关研究成果以“Intelligent microneedle patch based on functionalized alginate and chitosan for long-term self-regulated insulin delivery”为题于2024年10月17日发表在《Carbohydrate Polymers》上。
方案1 葡萄糖敏感智能微针贴剂系统
1. 葡萄糖响应水凝胶的制备
葡萄糖敏感水凝胶是微针的基础，承担药物加载和释放的功能，研究者制备了一系列水凝胶并探索了它们的交联作用。对比四种水凝胶的溶解性、分散性、FTIR、zeta电位和流变性能，最终选择苯硼酸接枝率为10%的Alg-PBA基水凝胶作为关键研究对象，探索胰岛素的葡萄糖敏感释放控制（图1）。
图1 葡萄糖响应水凝胶的制备和流变学表征
2. 水凝胶/微针中的适应性葡萄糖敏感胰岛素释放
将胰岛素溶液注入水凝胶基质中，轻轻搅拌，静置12h后得到载药水凝胶。这种方法确保胰岛素分子均匀分布在整个水凝胶中，在水分子和聚合物链段的影响下保持稳定状态（图2a-b）。随后，将载有胰岛素的水凝胶切成0.5 cm3块并干燥。然后将这些碎片浸入不同葡萄糖浓度的PBS溶液中，用于溶胀试验和体外药物释放分析。SEM显示孔结构随着葡萄糖浓度的增加而变得越来越蓬松，这一结果表明，引入葡萄糖会破坏聚合物链段内现有的硼酸酯键，导致苯硼酸基团与葡萄糖结合并形成新的键。这个过程导致水凝胶网络的膨胀和交联结构的松弛（图2c-f）。流变学分析揭示了三组分水凝胶内静电相互作用对其葡萄糖敏感响应的影响（图2g），由于静电相互作用的影响，三组分水凝胶表现出更明显的葡萄糖敏感差异。体外释放结果表明三组分交联系统具有更持久和渐进的释放能力（图2h-j）。
图2 不同成分水凝胶的葡萄糖反应特性
3. 微针贴片的构建
随后，研究者开发了一种两步离心法，用于制备微针（图3a）。宏观图像显示了整个针头结构及其组织良好的阵列，且水凝胶对不同分子量的微药物表现出优异的负载和分布能力（图3b）。微针压迫试验主要评估不同水凝胶的结构完整性（图3c），此外，单个微针表现出坚固的形态，并且阵列排列有序。这种尺寸有助于将药物输送到真皮层，并最大限度地减少与更深渗透相关的疼痛和可见创伤。此外，微针阵列组织良好，每个针体都完整且有棱角，有助于快速有效的穿刺治疗（图3d）。
图3 微针制造和机械表征
4. 智能长效血糖调节
使用载药葡萄糖反应微针进行的体内降糖研究产生了显著的血糖控制效果（图4）。与传统皮下注射胰岛素治疗相比，微针治疗组表现出两个显著优势：一是预防与大剂量胰岛素给药相关的低血糖事件;其次，它表现出更稳定和持久的血糖控制有效持续时间。
图4 糖尿病大鼠模型中微针的体内降糖功效和皮肤渗透分析
胰岛素的CD光谱分析显示：微针内的胰岛素活性在整个研究过程中保持不变，表明其功能特性得以保留（图5a）。此外，对接受微针治疗的大鼠皮肤的组织学切片和各种器官进行了仔细检查，微针疗法未引起大鼠器官异常或病变（图5b）。血溶性实验初步证实了初级微针材料的治疗安全性，对生物血液没有实质性的副作用（图5c）。
图5 评估微针给药后的局部安全性和持续药物活性
5. 细胞毒性和抗菌性能评价
研究者将水凝胶材料与L929细胞共培养，结果表明两种水凝胶底物没有表现出显着的细胞毒性作用，细胞死亡率极低（图6a-b）。相比之下，Alg-PBA/HTCC-FPBA/PVA 在特定浓度的提取物下显示出降低的细胞毒性（图6c-d）。此外，微针贴剂的抗菌活性表现出非特异性抑制，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有显着疗效，抑制率超过98.8%（图 7）。
图6 微针底物的体外细胞毒性和抗菌评估
图7 抗菌测试
综上，本文成功开发了一种基于硼酸酯键和静电相互作用的葡萄糖浓度依赖性胰岛素控释微针系统。引入静电相互作用增强了葡萄糖反应性水凝胶系统中交联结构的完整性和释放反应的协同作用，使该微针系统能够防止低血糖和更持久的血糖释放性能。基于该系统的微针已成功在体内实现长达48小时的有效血糖控制。总体而言，这种葡萄糖反应性微针系统代表了治疗糖尿病的一种有前途的策略，具有巨大的临床应用潜力。
文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2024.122885
