刺激响应聚合物微针在经皮给药中的应用

陈永杭; 李欣芳; 余伟江; 王幽香

doi:10.7536/PC200755

化学进展 ›› 2021, Vol. 33 ›› Issue (7) :1152-1158 DOI: 10.7536/PC200755

综述

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刺激响应聚合物微针在经皮给药中的应用

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Stimuli-Responsive Polymeric Microneedles for Transdermal Drug Delivery

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摘要

聚合物微针自身具有良好的机械性能和优异的生物相容性,能以微创的方式刺穿皮肤角质层,实现药物的高效经皮吸收,从而有效治疗各种疾病,如糖尿病、癌症、肥胖以及眼部疾病等。如何调控聚合物微针中负载药物的释放行为,是微针经皮给药需要关注的核心要素。刺激响应释放聚合物微针作为一种新兴的按需给药技术,能根据外界环境条件或自身生理环境变化实现药物的局部精确释放,是当前经皮给药领域的研究热点之一。目前,刺激响应聚合物微针的研究主要集中在光响应、pH响应、酶响应以及葡萄糖响应聚合物微针方面。本文将从微针在不同疾病中的应用,详细综述刺激响应聚合物微针的研究进展,并对这一领域的未来发展进行展望。

Abstract

The polymeric microneedles, which has excellent mechanical property and biocompatibility, can pierce the stratum corneum in a minimally-invasive manner and result in efficient transdermal delivery of drugs. Thereby the polymeric microneedles can effectively treat various diseases, such as diabetes, cancer, obesity, eye diseases and so on. How to control the release behavior of the loaded drug is the key point in the polymeric microneedles. Stimuli-responsive polymeric microneedles, as an emerging technology for on-demand drug delivery, can achieve topical accurate release of drugs according to the change of the external environment or the physiological signal in cutaneous environment, making it the current research hotspot in transdermal drug delivery. At present, stimuli-responsive polymeric microneedles are always designed based on light response, pH response, enzyme response and glucose response. This paper reviews the recent researches of the stimuli-responsive polymeric microneedles in detail. Challenges and prospects of stimuli-responsive polymeric microneedles are also discussed.

Contents

1 Introduction

2 Types of drug-loaded polymeric microneedles

3 Applications of stimuli-responsive polymeric microneedles in transdermal drug delivery system

3.1 Tumor treatment

3.2 Diabetes treatment

3.3 Obesity treatment

3.4 Treatment of other diseases

4 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

聚合物微针 / 经皮给药 / 刺激响应 / 疾病治疗

Key words

polymeric microneedles / transdermal drug delivery / stimuli-responsive / diseases treatment

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陈永杭, 李欣芳, 余伟江, 王幽香. 刺激响应聚合物微针在经皮给药中的应用[J]. 化学进展, 2021, 33(7): 1152-1158 DOI:10.7536/PC200755

Yonghang Chen, Xinfang Li, Weijiang Yu, Youxiang Wang. Stimuli-Responsive Polymeric Microneedles for Transdermal Drug Delivery[J]. Progress in Chemistry, 2021, 33(7): 1152-1158 DOI:10.7536/PC200755

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1 引言

经皮给药是指药物经皮吸收,从而达到局部或者全身的治疗。与口服和皮下注射药物相比,经皮给药系统可以以无痛的方式进行给药,并且避免肝脏首过效应。但是由于皮肤最外层为亲脂性的致密角质层,限制了绝大多数亲水性药物及大分子药物的经皮传输效率^[1,2]。为了解决这一难题,研究者们采用化学促渗剂、离子导入、电致孔、超声导、微针等物理或化学的方法促进药物的透皮吸收^{[3⇓⇓⇓~7]}。其中,微针作为一种安全高效无痛的新型经皮给药方式,引起了人们的广泛关注。

微针是由微米大小的针组合成阵列,从而介导药物的局部递送^[8]。微针可以刺穿皮肤角质层,在皮肤上产生可逆的微管道,促进药物通过微管道顺利到达真皮层的毛细血管,进而达到局部或全身治疗的作用。制备微针的材料从硅、金属逐渐拓展到聚合物材料。硅是第一个用于制备微针的材料,但是硅微针制作成本高,制造过程复杂,针体可能会在皮肤内断裂;金属微针有着优异的机械性能,但是载药量有限,因此这两类微针在生物应用上并不广泛。聚合物微针由于具有优异的生物相容性,成为微针领域的研究热点^[9]。目前,聚合物微针的制备主要方法有微模板法(micro-molding)、立体拉伸平版印刷法(drawing lithography)、液滴吹气法 (droplet-bornair blowing)、电性拉拔法(electro-drawing)和3D打印法(3D printing)等^[10,11]。聚合物载药微针可以通过聚合物材料的选择,便捷地调控药物的释放行为,这使其成为这一领域的关注热点。

2 聚合物载药微针的种类

依据聚合物载药微针药物释放行为的差异,可将聚合物微针分为:药物缓释型微针、药物快速释放型微针和刺激响应释放药物型微针。

制备药物缓释型微针常采用可生物降解的聚合物材料,比如:聚乳酸(PLA)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚己内酯(PCL)、壳聚糖(CS)等^{[12⇓⇓~15]}。当微针插入皮肤后,药物会随着聚合物的降解缓慢释放,从而维持血药浓度平稳,降低药物施用频率。药物快速释放型微针常采用可快速溶解的聚合物材料,如透明质酸(HA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚-L-谷氨酸(γ-PGA)、淀粉^{[16⇓⇓~19]}等材料制备微针,当微针插入皮肤后,吸收组织液溶解而快速释放药物。目前,药物缓释型微针和药物快速释放型微针的研究已经很成熟。但是如何实现微针中负载药物根据与病理过程相关的生物信号或施加的外界刺激,来调控药物的释放,提高药物递送的特异性,具有非常重要的意义,也是微针经皮给药需要关注的核心要素。

刺激响应药物递送系统的研究,尤其刺激响应纳米载药粒子的设计已有很长的历史,其研究成果为聚合物载药微针的刺激响应释放提供了很好的启示。刺激响应药物递送系统可依据靶向组织与人体正常组织微环境的差异或通过施加外界的刺激,从而在靶向位点释放药物,有效提高药物递送的特异性,减少毒副作用^{[20⇓⇓~23]}。受此启示,在聚合物载药微针的经皮传递设计中,人们利用皮肤的生物信号差异(如pH值)、与病理过程相关的生物信号(如糖尿病人葡萄糖浓度)差异或通过在皮肤表面施加的外界刺激(光、磁等),实现聚合物微针中负载的小分子药物和生物大分子药物的按需给药,可很大程度提高治疗效率,减少毒副作用^[24]。目前,刺激响应聚合物微针的研究主要集中在光响应、pH响应、酶响应以及葡萄糖响应聚合物微针方面。本文将从微针在不同疾病中的应用出发,详细综述刺激响应聚合物微针的研究进展,并对这一领域的未来发展进行展望。

3 刺激响应聚合物微针在经皮给药中的应用

3.1 肿瘤治疗

肿瘤是威胁人体健康最严重的疾病之一^[25,26]。常规的肿瘤治疗方法例如药物化疗,往往需要多次静脉注射给药,给患者带来强烈疼痛感,且可能带来严重的副作用^[27]。刺激响应聚合物微针的经皮传递可利用外源性或内源性信号,更好地实现对药物的时空控制,提高患者依从性的同时,提高药物的传递效率,降低副作用。

在肿瘤治疗中,免疫疗法是利用人体免疫系统进行癌症治疗的一类广泛的抗癌疗法,可以增强特异性和持久性的抗癌反应。癌症疫苗、免疫检查点阻断在临床治疗方面取得了显著的成就^[28,29]。由于人体皮肤表皮和真皮层中含有大量未成熟的树突状细胞(DCs),能摄取、加工和递呈抗原,并将其带至淋巴结的免疫反应区域,是引发肿瘤抗原强免疫应答的理想作用点。因此,基于微针的经皮传递为肿瘤的免疫治疗提供了可能性^[30]。与皮下肌肉注射相比,微针介导癌症疫苗递送,可以产生更强的局部免疫^[31]。

皮肤表皮pH值约为5.5,利用皮肤表皮的弱酸性作为刺激信号,制备pH响应的微针,为药物经皮释放行为的调控提供了很好的手段^[32,33]。Duong等^[34]制备了一种pH响应的涂层微针用于递送DNA疫苗。pH响应的多层聚电解质通过层层自组装技术涂覆在聚碳酸酯微针表面上。多层聚电解质由两部分组成:pH响应电荷反转性质的聚阳离子/带负电的免疫刺激性佐剂poly(I:C)的内层和DNA疫苗/聚乙烯亚胺-脱氧胆酸的疫苗负载外层。当微针插入皮肤后,表皮的局部酸性环境促使过渡层中的聚阳离子转变为聚阴离子共聚物,由于静电排斥作用,释放出DNA疫苗和poly(I:C)。小鼠体内黑色素瘤模型实验表明:该pH响应的微针可以持久维持佐剂和疫苗的活性,所产生的免疫反应强于皮下注射疫苗。

另一方面,免疫检查点阻断治疗肿瘤疗法中,Gu等^[35]制备了一种透明质酸酶刺激响应的透明质酸微针。透明质酸酶在各种类型的癌细胞中过表达,并已被认为是肿瘤标志物。他们首先制备了1-甲基-DL-色氨酸(1-MT)修饰的透明质酸,从而自组装形成纳米粒子并用以包载程序性死亡因子-1抗体(aPD1),然后将其负载到透明质酸微针中。在肿瘤区域,高浓度的透明质酸酶会与透明质酸发生酶促反应,破坏了纳米粒子的两亲性结构,促使粒子中的aPD1释放,同时1-MT是免疫抑制酶IDO的抑制剂,有助于增强免疫治疗效果。Wang等^[36]利用人体内的葡萄糖作为生理信号,制备了负载葡萄糖氧化酶和aPD-1的pH响应葡聚糖纳米粒子(NPs)的透明质酸微针。综上,微针以无痛的方法刺穿角质层,可将疫苗、抗体递送到具有免疫功能的表皮和真皮组织,提高病人的顺应性;同时微针有利于持久维持佐剂和疫苗的活性,所产生的免疫反应强于皮下注射疫苗,显示出优异的临床应用潜力。

除此之外,微针在递送基因和化疗药物治疗皮下肿瘤也具有广阔的应用前景。Wang等^[37]制备了一种皮肤微环境响应的涂层微针用于皮肤癌的基因治疗。如图1所示,pH响应的多层聚电解质通过层层自组装技术涂覆在聚己内酯微针表面上。多层聚电解质由两部分组成:二甲基马来酸酐改性的聚赖氨酸(PLL-DMA)/聚乙烯亚胺的过渡层和p53治疗基因/聚乙烯亚胺的基因负载层。其中PLL-DMA在酸性的皮肤环境中可以实现电荷逆转,破坏过渡层结构并促进p53基因的快速释放。体内实验表明:含有pH响应过渡层的基因涂层微针(tr-MNP)对于黑色素瘤小鼠的抑瘤效率可达到90.1%,而不含过渡层的微针(ntr-MNP)经皮给药和静脉注射给药对于黑色素瘤小鼠的抑瘤效率仅为46.4%和30.5%。

近红外光对人体组织具有较强的穿透性且对组织损伤小,结合光敏剂或光热治疗剂,可以局部靶向高效治疗肿瘤。Chen等^[38]制备了一种近红外光刺激响应的微针系统,该系统可以同时为肿瘤提供光热疗法和化学疗法,发挥协同治疗效果,并且可将针尖滞留于皮下,实现多次可控给药。该微针系统的针尖由包含了六硼化镧(LaB₆)纳米粒子和阿霉素(DOX)的聚己内酯(PCL)组成,支撑结构则由可快速溶解的聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮(PVA/PVP)组成。由于PCL具有高度疏水和热致熔融的性质,因此在无近红外光照射下,该微针不释放药物,而在外加近红外光刺激时,LaB₆纳米粒子产生热量,促进PCL的熔融释放阿霉素,该体系不仅可以实现化疗药物的按时按需可控释放,还可以实现光热治疗和小分子药物化疗的协同治疗。小鼠体内实验表明微针介导的协同治疗在一次应用和三个激光治疗周期后的1 周内完全根除了4T1肿瘤,且肿瘤不复发,显示出很好的治疗效果。通过近红外光刺激响应释放药物,操作简单方便,时空可控,随时进行给药或中断给药,为个性化治疗提供了很大的便利。

3.2 糖尿病治疗

糖尿病是最严重的全球性疾病之一。Ⅰ型糖尿病患者需要注射胰岛素维持正常血糖;Ⅱ型糖尿病患者可以通过日常生活锻炼,调节饮食习惯维持正常血糖,病情较严重的Ⅱ型糖尿病患者则需要注射胰岛素或抗糖尿病药物胰高血糖素样肽-1(GLP-1)及其类似物^[39⇓~41]。然而,传统的腹腔注射胰岛素,会给患者带来强烈的疼痛感,也无法实现精确的血糖控制^[42]。因此,根据血糖水平的波动智能地控制药物释放是认为治疗Ⅰ型和晚期Ⅱ型糖尿病理想的治疗手段^[43]。葡萄糖响应聚合物微针通过实时地检测葡萄糖浓度,以无痛的方式及时递送药物,有效地调节患者血糖水平^{[44⇓⇓⇓⇓⇓~50]}。

目前,葡萄糖响应微针系统主要采用葡萄糖氧化酶(GOx)作为响应葡萄糖的传感器。葡萄糖氧化酶可以催化葡萄糖的氧化反应${( glucose }+\mathrm{O}_{2}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \stackrel{\mathrm{GOx}}{\longrightarrow} \text { gulconicacid }+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}_{2})$,从而形成乏氧、酸性和富含H₂O₂的局部环境,进而作为生物信号触发药物的释放^[39]。

顾臻等在这一领域开展了一系列研究。他们^[44]构想了“智能胰岛素微针贴剂”的概念,并首次制备了利用乏氧环境作为生物信号来调节胰岛素释放的微针。他们首先制备了胰岛素和葡萄糖氧化酶共同包埋的葡萄糖反应性纳米囊泡(GRV),然后将其负载到透明质酸微针中。葡萄糖反应性纳米囊泡(GRV)由乏氧响应性疏水基团(2-硝基咪唑)修饰的透明质酸自组装形成,随着体内葡萄糖含量升高,在葡萄糖氧化酶的作用下,产生局部乏氧,疏水的2-硝基咪唑基团可还原为亲水的2-氨基咪唑基团,破坏GRV囊泡的两亲性结构,促进GRV囊泡中包裹的胰岛素释放。

葡萄糖氧化酶催化葡萄糖的氧化反应中产生H₂O₂,而H₂O₂会导致炎症反应。为了解决这一弊端,顾臻等^[45]制备了一种乏氧和H₂O₂双响应的透明质酸微针。如图2所示,2-硝基咪唑通过硫醚键共价结合在共聚物中的聚丝氨酸链段上。随着体内葡萄糖含量升高,葡萄糖会通过扩散作用进入囊泡中,在葡萄糖氧化酶的作用下,产生乏氧和富含H₂O₂的局部环境,2-硝基咪唑基团还原为亲水性的2-氨基咪唑,破坏囊泡的两亲性结构,促进囊泡中包裹胰岛素的释放。同时,H₂O₂响应的硫醚转化为砜基团,消耗了H₂O₂。糖尿病小鼠模型实验表明:该微针体系能严格控制小鼠血糖浓度,并且在很大程度上降低H₂O₂引起的炎症反应,有效地增加了微针系统的生物相容性。值得一提的是,一旦达到正常的血糖浓度,该微针系统就会抑制胰岛素释放,从而有效地减少了因低血糖引起的并发症。

过氧化氢酶(CAT)可以催化H₂O₂分解,微针系统中引入过氧化氢酶也可以清除葡萄糖氧化酶催化葡萄糖反应中产生的H₂O₂。顾臻等^[46]采用多次浇筑法,制备了一种具有核壳结构的聚乙烯醇(PVA)交联微针。微针的壳部分包含过氧化氢酶,旨在清除系统中生成的过量H₂O₂,改善生物相容性。

Chen等^[47]利用葡萄糖氧化酶的酶促氧反应引起的pH降低制备了一种pH响应的微针贴片,用于递送Exendin-4(Ex4),Ex4是一种用于临床治疗Ⅱ型糖尿病的药物。为了实现按需的Ex4给药,Ex4负载在磷酸钙矿化颗粒中(m-Ex4),可在较低pH的环境下自发降解、释放药物。葡萄糖氧化酶负载在磷酸铜的矿化颗粒中(m-GOx),能根据血糖浓度调控局部环境的pH值。m-GOx和m-Ex4集成到基于藻酸盐的微针阵列中,在高血糖条件下,m-GOx将葡萄糖信号转换成H⁺信号引发m-Ex4粒子的解离,从而释放Ex4。

在最新研究中,Chen等^[48]采用苯基硼酸作为葡萄糖响应元件,制备一种“无酶”半互穿水凝胶微针避免了葡萄糖氧化酶酶促反应产物H₂O₂的影响。

然而智能胰岛素微针还存在一些挑战性问题,比如大规模制造的可行性设计和胰岛素负载量等。有鉴于此,顾臻等^[49]开发出新一代智能胰岛素贴片。该胰岛素贴片只有硬币大小(5 cm²),易于工业生产制造,可实现临床相关剂量要求和快速的胰岛素释放,调节葡萄糖释放时间可超过20 h。微针采用苯硼酸作为葡萄糖响应成分,将胰岛素、单体和交联剂的混合物浇筑到模具中,再以非常方便的原位光聚合方法形成微针基质。当暴露在高血糖条件下时,聚合物基质中的负电荷增加,从而削弱带负电荷的胰岛素与聚合物之间的静电相互作用,引起聚合物基质的体积变化,从而促进胰岛素快速扩散;而在正常血糖条件下,静电相互作用恢复,可减缓胰岛素释放速率,降低了低血糖的风险。小鼠和小型猪体内实验表明,微针贴片可在目标范围内调节葡萄糖水平,另外,还可以使用不同大小的贴片来调节胰岛素剂量,以改变每个人对葡萄糖激发的反应能力,以实现临床个性化治疗。

传统用于胰岛素递送的微针阵列,缺乏葡萄糖浓度的检测能力,因此需要频繁检测血液中葡萄糖浓度,从而施加微针递送胰岛素保持正常血糖情况。由于无法实现精确的血糖控制,增加了发生糖尿病并发症的风险。葡萄糖响应聚合物微针根据患者血糖水平的波动,智能地控制胰岛素释放,可将患者的血糖水平严格控制在正常范围内。

3.3 肥胖

肥胖影响人们的衣、食、住、行和生活质量,过度肥胖患者可造成一系列的疾病,如糖尿病、高脂血症和高血压等。过多的白色脂肪组织(WAT)是肥胖的主要原因^[51]。微针介导的经皮递送药物治疗肥胖症的研究中,研究者们分别制备了负载咖啡因或β3-肾上腺素受体激动剂的透明质酸微针,两种微针都可导致高脂饮食诱导的肥胖小鼠体重明显减轻,为肥胖的经皮治疗提供了可能性^[52,53]。Zhang等^[54]利用葡萄糖作为生理信号,制备一种负载罗格列酮的透明质酸微针系统,微针系统中负载了葡萄糖氧化酶(GOx)和过氧化氢酶(CAT)。GOx将葡萄糖转化为葡萄糖酸的同时产生局部酸性环境,pH响应的葡聚糖纳米粒子随即释放负载在内的罗格列酮,促进白色脂肪组织向棕色脂肪组织转化,CAT用于消耗酶促反应过程中产生的多余的过氧化氢。动物实验表明,该微针体系可以有效地控制肥胖小鼠的体重。

3.4 其他疾病

除了肿瘤、糖尿病、肥胖的治疗外,刺激响应聚合物微针还应用于很多其他疾病的治疗。Zhang等^[55]制备了一种凝血酶刺激响应的微针系统。凝血酶是一种类似于胰蛋白酶的丝氨酸蛋白酶,在凝血系统中起着至关重要的作用。他们将肝素通过凝血酶裂解肽接枝到透明质酸上,并以此为基材制备获得了可持续抗凝血调节的交联透明质酸微针。当凝血酶浓度升高时,肝素迅速释放出来,从而防止凝血酶触发而形成血凝块。随后的体内动物实验显示,该贴片可以长期防止异常凝血和急性肺血栓。

Wang等^[56]制备了壳聚糖微针贴片治疗伤口愈合。负载了血管内皮生长因子(VEGF)的温敏性pNIPAM水凝胶整合到微针的微孔结构中,通过伤口部位炎症反应引起的温度升高,实现药物智能可控释放,同时壳聚糖天然的抗菌性能,两者结合使得微针能促进伤口愈合。

4 结论与展望

刺激响应聚合物微针发展十分迅速,不仅体现在制备材料上的更新换代,应用领域上也不断拓展。

在最新的研究中,研究人员利用微针与各种材料装备的组合实现了蛋白质一类的生物大分子的口服给药。美国麻省理工大学Traverso和Langer等制备一种可口服摄入的自我定向毫米级治疗仪(self-orienting millimeter-scale applicator, SOMA)^[57]实现了胰岛素的口服。该装置受到自我定向豹龟的启发,这种龟类可以在背朝地的时候翻身。如图3所示,SOMA口服进入体内后可自动定位,通过胃肠道时,内置动力源中的糖盘迅速溶解,压缩弹簧释放弹性势能,与之相连的载药微针每次都能以相同的方向刺穿胃黏膜并释放药物。

同样地,他们制备一种内置应力介导的新型口服药物胶囊,称作腔内展开微针注射器(luminal unfolding microneedle injector,LUMI)^[58]。pH敏感甲基丙烯酸-丙烯酸乙酯共聚物使胶囊可以在胃酸环境(pH=1.5~3.5)下稳定存在,当其到达小肠后,pH值逐渐升高至6左右,聚合物溶解,压缩弹簧释放弹性势能促使LUMI的三条臂伸展开。LUMI每个可降解臂上都包含载药微针,当臂张开时,其释放力使微针刺穿小肠壁,并释放药物。除此之外,他们还制备了一种温度响应性 “花朵状”微针集成装置用于消化道给药 ^[59]。该微针体系结合可变形结构材料和热响应性元素,在胃肠道中有广泛应用。

当前,聚合物微针经皮给药领域已经取得了很大的进步,新型聚合物材料和制造技术层出不穷。微针不仅可以通过刺激响应实现按需给药,还可以个性化定制以改善患者的生活质量并获得更好的治疗效果。但微针的生物医学应用仍处于起步阶段,如何实现大规模工业化制造微针,并确保生物药物的活性及载药量的精确调控,是当前面临的重要问题。随着研究的进一步深入,微针可以与一些尖端技术结合,诊断治疗一体化微针系统、可穿戴微针系统以及微针集成系统等将会成为微针研究领域的热点。

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