可溶微針在經(jīng)皮藥物遞送領(lǐng)域的研究進(jìn)展

陳明龍，楊丹，孫穎，權(quán)桂蘭，吳傳斌,，潘昕*

（1.中山大學(xué)藥學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 暨南大學(xué)藥學(xué)院，廣東 廣州510632）

經(jīng)皮藥物遞送系統(tǒng)（transdermal drug delivery system，TDDS）作為一種安全有效的給藥方式被廣泛應(yīng)用于臨床。藥物透過皮膚角質(zhì)層，可發(fā)揮局部治療效果，或進(jìn)一步通過表皮層到達(dá)真皮層，進(jìn)入血液循環(huán)發(fā)揮全身治療作用。與其他給藥方式相比，TDDS具有以下獨特的優(yōu)勢：1）避免口服給藥造成的肝臟首過效應(yīng)和胃腸道消化酶對藥物活性的影響；2）避免注射給藥產(chǎn)生的疼痛感，給藥便捷，無需專業(yè)人員操作，大大提高了患者的順應(yīng)性；3）長時間維持相對恒定的血藥濃度和穩(wěn)定的藥理效應(yīng)；4）皮膚內(nèi)的組織蛋白水解酶含量低，有利于保持大分子藥物的活性。

人體的皮膚組織主要包括3部分：角質(zhì)層、活性表皮層和真皮層。角質(zhì)層位于皮膚最外層，厚度約為10 ～ 15 μm，由致密的角質(zhì)細(xì)胞組成，是藥物分子透過皮膚有效傳輸?shù)淖畲笃琳?。角質(zhì)層以下是表皮層，厚度約為50 ～ 100 μm，含有免疫活性細(xì)胞和少量的神經(jīng)組織，不含有血管。表皮層以下的真皮層含有大量的免疫活性細(xì)胞、神經(jīng)組織和血管組織。皮膚特定的生理結(jié)構(gòu)在保衛(wèi)機(jī)體免受病原體侵害的同時也嚴(yán)重限制了藥物的經(jīng)皮遞送效率，進(jìn)一步影響了藥物的生物利用度和療效[1-2]。因此，降低角質(zhì)層阻力，增加皮膚通透性是經(jīng)皮給藥領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。

經(jīng)典的藥物促滲手段包括化學(xué)方法、物理方法與制劑學(xué)方法[3]。化學(xué)方法主要是采用化學(xué)促滲劑改變皮膚生理特性，擾亂緊密的脂質(zhì)排列，形成間隙從而增加角質(zhì)層的含水量和藥物透過量?；瘜W(xué)促滲方法無特異性，高濃度或長期使用化學(xué)促滲劑會引起皮膚刺激、過敏等不良反應(yīng)。物理方法主要是采用物理手段改變角質(zhì)層的物理狀態(tài)或增加藥物分子的能量來提高藥物的透皮量。傳統(tǒng)的物理方法通常需要特殊的儀器、給藥不方便，且對皮膚具有潛在的危害（見圖1）。隨著制劑技術(shù)的發(fā)展，新型藥物制劑（如微乳、脂質(zhì)體、膠束等納米載藥系統(tǒng)）逐漸成為經(jīng)皮遞送系統(tǒng)的研究熱點。盡管該技術(shù)在一定程度上能提高藥物的經(jīng)皮遞送效率，延長藥物在病灶部位的滯留時間，提高治療效果。但由于皮膚的天然屏障作用，納米載藥系統(tǒng)因其較大的尺寸和形狀依然不能在本質(zhì)上提高藥物的透皮速率。因此，亟需開發(fā)一種新型、高效、安全的TDDS。

微針（microneedles）是一種新型的物理促透技術(shù)，由多個微米級的細(xì)小針尖以陣列的方式連接在基座上組成[4]。微針的長度（25 ～ 1 000 μm）、大小和形狀可根據(jù)治療的需求進(jìn)行個體化設(shè)計[5]。微針作為一種介于皮下注射和透皮貼劑之間的新型給藥制劑，可定向突破皮膚角質(zhì)層屏障，在皮膚表面形成多個微米級別的機(jī)械孔道，顯著提高藥物的遞送效率；通過控制微針長度，可避免觸及真皮層豐富的毛細(xì)血管和神經(jīng)末梢，降低或消除給藥過程產(chǎn)生的疼痛；另外，微針給藥方式便捷，可自行施用，無需專業(yè)人員操作[6]。微針高效的經(jīng)皮遞送能力，已被廣泛應(yīng)用于美容領(lǐng)域。近幾年，在美容整形市場上出現(xiàn)了多種微針設(shè)備，如滾輪微針、印章微針、電動微針、德美膚水微針、射頻微針等。利用微針在皮膚表面形成的微孔道，能促進(jìn)活性成分有效滲入皮膚，從而達(dá)到減淡皺紋、治療疤痕及妊娠紋、美白肌膚、減淡色斑等效果。微針不僅在美容領(lǐng)域受到了前所未有的熱捧，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域更是得到了廣泛的研究和應(yīng)用。本文將重點介紹可溶微針在經(jīng)皮藥物遞送領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

1 微針的分類

根據(jù)微針給藥方式的不同，主要將微針分為5類：固體微針、涂層微針、空心微針、可溶微針和凝膠微針（見圖2）。

1.1 固體微針

固體微針通常由金屬材料和非降解聚合物（硅、二氧化鈦）等制備而成?？赏ㄟ^激光切割、機(jī)械/化學(xué)刻蝕等方法制備，也可以通過鑄造和在主模上電鍍制成[7]。固體微針給藥方式主要包括2個步驟，首先使用微針穿刺皮膚表面形成微孔道；然后將藥物敷在微針穿刺部位，藥物由孔道被動滲透進(jìn)入皮膚。固體微針具有較好的機(jī)械性能，但由于針體材料主要為金屬和非降解聚合物，給藥過程中一旦出現(xiàn)斷針或者折損，就會導(dǎo)致針體滯留在皮膚內(nèi)，給患者造成安全隱患。同時，固體微針產(chǎn)生的微孔道處于動態(tài)恢復(fù)過程，易造成給藥劑量不準(zhǔn)確。

1.2 涂層微針

涂層微針的針體材料和制備方法與固體微針相似，目前文獻(xiàn)報道載藥涂層微針的制備方法主要包括：浸漬法、輥式涂層、層層涂層和噴霧涂層法。其中，浸漬法操作簡單、成本低，是制備載藥涂層微針最常用的方法[8-9]。涂層微針直接將藥物包裹在微針針體表面，藥物可隨著微針直接刺入皮膚，進(jìn)而溶解釋放。與固體微針相比，涂層微針雖然能簡化給藥過程，但由于微針的比表面積有限，嚴(yán)重限制了涂層微針的載藥量。

1.3 空心微針

空心微針被認(rèn)為是一種在針頭長度和直徑上縮小到微米級別的微型注射器。空心微針的制備主要采用數(shù)字化控制的空心微針注射系統(tǒng)，制備過程復(fù)雜，耗時長?？招奈⑨槍⑺幰簝Υ嬖谖⑨樦锌战Y(jié)構(gòu)或基層管腔中，通過借助外部驅(qū)動力，在微針刺入皮膚的同時將孔內(nèi)或基層管腔中的藥液注射到皮下，實現(xiàn)藥物的快速釋放[10]?？招奈⑨槻粌H能通過現(xiàn)有的注射劑型進(jìn)行藥物傳遞，無需額外研究開發(fā)新的劑型，還能根據(jù)病情需要控制給藥劑量。然而，由于真皮組織的致密性，空心微針插入皮膚時，針體內(nèi)腔易被堵塞，影響藥物的傳遞。

1.4 可溶微針

隨著聚合物化學(xué)的發(fā)展，人們對聚合物的理化性質(zhì)有了進(jìn)一步了解。這一突破也促進(jìn)了聚合物可溶微針?biāo)幬镞f送系統(tǒng)的發(fā)展。與上述幾種微針制備工藝相比，聚合物微針可以通過各種模具技術(shù)制備，如鑄造、熱壓、注射成型和微塑模法[11-12]，其成本效益和制備可重復(fù)性均得到了大大提升。聚合物微針針體材料主要包括聚乙烯醇（PVA）[13]、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）[14-15]、透明質(zhì)酸（HA）[16-17]、右旋糖酐（Dex）[18-19]、殼聚糖[20]、海藻酸鈉[21]、蠶絲蛋白[22]、聚乳酸（PLA）和聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）等[4]。

其中，可溶微針主要由水溶性聚合物制備而成，藥物分布于針尖基質(zhì)，刺入皮膚后針尖吸收少量組織液溶解并釋放藥物?？扇芪⑨槼司邆鋫鹘y(tǒng)經(jīng)皮給藥技術(shù)的優(yōu)勢外，還具有顯著優(yōu)于其他微針給藥方式的獨特性質(zhì)：1）實現(xiàn)高效的藥物遞送：將藥物包載至整根針體，克服了空心微針和涂層微針劑量低的缺陷，通過控制載藥量和藥物在針體中的分布可實現(xiàn)定量和程序性釋藥。2）確保藥物穩(wěn)定：微塑模法制備條件溫和，確保了載藥過程中藥物穩(wěn)定。固態(tài)存儲有利于保持藥物活性，降低運(yùn)輸途中苛刻的冷鏈儲存需求。3）安全性高：在滿足微針機(jī)械性能前提下，選用安全性高、生物相容性好的針體材料，能有效避免針頭回收的醫(yī)療廢品二次危害等問題。

1.5 凝膠微針

凝膠微針是由水凝膠聚合基質(zhì)制備而成，其制備方法與可溶微針相似。除去聚合物表現(xiàn)出的水凝膠特性[12]，被認(rèn)為是可溶微針的一種亞型。這種微針陣列在插入皮膚后迅速吸收間質(zhì)液，導(dǎo)致水凝膠腫脹，在凝膠內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)暢通的孔道，藥物通過組織液滲透和擴(kuò)散進(jìn)入皮膚組織內(nèi)。凝膠微針能夠在一定程度上抵抗皮膚孔隙閉合，插入皮膚后能夠被完整地取出。此外，通過調(diào)節(jié)水凝膠纖維的交聯(lián)密度，可以控制藥物釋放速率。

2 可溶微針在經(jīng)皮遞藥系統(tǒng)中的應(yīng)用

可溶微針在制備方法、載藥容量及給藥便攜性方面均具有顯著的優(yōu)勢，有望成為最具有潛力的經(jīng)皮給藥技術(shù)。2005年可溶性糖類微針首次被應(yīng)用于經(jīng)皮給藥，近10年來可溶微針的制備方法與應(yīng)用領(lǐng)域是科研工作者重點研究的方向?，F(xiàn)就可溶微針技術(shù)在經(jīng)皮藥物遞送中的應(yīng)用作簡要介紹。

2.1 小分子藥物

相對分子質(zhì)量小于500的藥物分子可以被動地穿透皮膚，但對于需要高劑量的藥物，單純通過濃度梯度驅(qū)動藥物被動轉(zhuǎn)運(yùn)往往導(dǎo)致藥物濃度在治療窗以下，難以達(dá)到有效治療效果。利用可溶微針在皮膚內(nèi)形成的微孔道，可顯著提高小分子藥物的透過率，提高治療效率。

親水性小分子藥物可直接溶于可溶微針的制備溶液，利用其良好的水溶性和較高的溶解度，實現(xiàn)藥物的有效裝載。Ram?ller等[23]將維生素B12與PVP溶液混合制備可溶微針，每片微針的載藥量高達(dá)135 μg。Lahiji等 將丙戊酸鈉直接裝載于羧基纖維素制備的可溶微針，用于誘導(dǎo)頭發(fā)再生。使用親水性染料羅丹明代替丙戊酸鈉，考察水溶性小分子藥物在皮膚內(nèi)的溶解和滯留情況。Dong等[25]將鹽酸阿霉素包載于HA可溶微針中，同時共載金納米籠實現(xiàn)化療聯(lián)合光熱協(xié)同治療腫瘤。Pei等[26]將光敏劑吲哚菁綠和鹽酸阿霉素共載于PVP可溶微針中，并利用介孔二氧化硅提高吲哚菁綠的穩(wěn)定性。

親脂性小分子藥物被廣泛應(yīng)用于各種疾病的治療。但由于制備可溶微針的針體材料大多為水溶性聚合物，使得藥物在針體溶液中的溶解度有限，往往不能實現(xiàn)高劑量藥物的有效裝載。為解決這一問題，研究者借助藥物與高分子材料的分子間作用力，如離子鍵、疏水相互作用力和主客體相互作用等[15]，能夠提高親脂性藥物在可溶微針中的裝載量。Hou等[27]將雙氯芬酸鈉載于HP-β-環(huán)糊精中，利用主客體相互作用顯著提高了雙氯芬酸鈉在微針中的載藥量。Lin等[28]采用HP-β-環(huán)糊精包載疏水性藥物曲安奈德，顯著提高了微針貼片中曲安奈德的裝載量。

2.2 蛋白和多肽類藥物

隨著基因組學(xué)和蛋白組學(xué)的興起，蛋白多肽類藥物越來越被廣泛地應(yīng)用于臨床診治。但這類藥物在臨床使用中存在諸多問題，如藥物相對分子質(zhì)量大、體內(nèi)外穩(wěn)定性差、易變性或降解失活。以多肽或蛋白疫苗為例，現(xiàn)階段臨床應(yīng)用中主要以皮下注射為主。為保持藥物的活性，往往需要冷鏈運(yùn)輸和儲藏?？扇芪⑨樧鳛橐环N介于皮下注射和透皮貼劑之間的新型制劑，在遞送蛋白多肽類藥物方面具有顯著優(yōu)勢，可突破角質(zhì)層屏障對大分子藥物的限制，提高皮膚透過量。

Lin等[29]采用兩步法成功制備胸腺五肽可溶微針，藥物包載后依然保持結(jié)構(gòu)的完整性和生物活性。體內(nèi)藥效學(xué)結(jié)果表明，與靜脈注射胸腺五肽相比，可溶微針可以實現(xiàn)與之相當(dāng)?shù)拿庖哒{(diào)節(jié)作用。此外，可溶微針也被廣泛應(yīng)用于胰島素的經(jīng)皮遞送。Ling等[30]將胰島素包載于明膠和淀粉混合物中制備可溶微針，微針刺入皮膚后迅速溶解于組織液中。室溫或37℃條件下存放一個月依然能保持胰島素生物活性相對穩(wěn)定。Yu等[31]發(fā)明了一種包載血糖響應(yīng)性的納米囊泡微針貼片用于胰島素的遞送。當(dāng)機(jī)體血糖升高時，葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖造成局部組織缺氧，將HA耦聯(lián)的2-硝基咪唑的疏水性嵌段還原為親水性嵌段，導(dǎo)致血糖響應(yīng)性的納米囊泡快速解離，繼而釋放胰島素。在此基礎(chǔ)上，Yu等[32]還設(shè)計了缺氧和H2O2雙敏感納米囊泡可溶微針，用于提高血糖響應(yīng)型的胰島素釋放。Ye等[33]報道了一種載外源性胰腺β細(xì)胞的微針貼片用于智能調(diào)控血糖水平。利用血糖響應(yīng)型納米囊泡的級聯(lián)酶促反應(yīng)放大體內(nèi)血糖信號。當(dāng)可溶微針中的β細(xì)胞感知血糖水平升高時，就會觸發(fā)胰島素的分泌，進(jìn)而降低血糖水平。

免疫療法主要是通過激活宿主的全身性免疫反應(yīng)，清除病變組織。皮膚作為人體最大的免疫器官，含有大量的抗原提呈細(xì)胞，如巨噬細(xì)胞、朗格漢斯細(xì)胞（Langerhans cell）和樹突狀細(xì)胞。當(dāng)外源性抗原被遞送到皮膚內(nèi)，能夠激活抗原提呈細(xì)胞并遷移至淋巴結(jié)，將捕捉到的抗原呈遞給T淋巴細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞，激活的T淋巴細(xì)胞和B淋巴細(xì)胞進(jìn)一步增殖分化誘導(dǎo)全身性免疫反應(yīng)。近年來，大量文獻(xiàn)報道了有關(guān)可溶微針經(jīng)皮遞送抗原的研究，并取得了突破性進(jìn)展。

Monkare等[34]制備了HA可溶微針用于遞送單克隆抗體IgG。當(dāng)HA可溶微針在皮膚內(nèi)溶解時，80%的IgG被吸收利用，且其三級構(gòu)象在制備過程中基本未發(fā)生改變。離體皮膚穿刺實驗證明，微針在刺入皮膚后能迅速溶解釋放藥物，且能將藥物富集在表皮和真皮層。動物實驗結(jié)果表明，接種含IgG可溶微針的小鼠具有較高的血清流感特異性IgG抗體滴度，且接種可溶微針疫苗與肌肉注射相比，肺病毒清除率提高了1 000倍。Zaric等[35]將卵清蛋白（OVA）作為模型抗原載于可溶微針中。體內(nèi)外實驗結(jié)果表明，炎癥因子（IFN-γ和IL-4）和IgG抗體滴度明顯增加。Kim等[36]采用表面活性劑普郎尼克F127與PVA作為針體混合材料包載瑞喹莫德（R848）和腫瘤抗原。F127在組織液中溶解后，能夠與R848自組裝形成納米膠束。同時吸附模型抗原OVA遷移至淋巴組織，進(jìn)一步刺激抗原提呈細(xì)胞，激活免疫系統(tǒng)。

可溶微針也被廣泛應(yīng)用于遞送免疫檢查點抑制劑，阻斷或逆轉(zhuǎn)腫瘤免疫抑制微環(huán)境。Ye等[37]制備了HA可溶微針遞送程序性死亡受體-1（PD-1）抗體和1-甲基色氨酸（1-MT）治療惡性黑色素瘤。PD-1抗體能夠靶向T細(xì)胞表面的PD-1受體，阻斷其與PD-L1的結(jié)合，抑制腫瘤細(xì)胞的免疫逃逸，提高T細(xì)胞的殺傷功能。通過共遞送1-MT，有效緩解了腫瘤微環(huán)境中色氨酸匱乏誘導(dǎo)的免疫抑制。動物實驗結(jié)果表明，可溶微針共載PD-1抗體和1-MT能夠有效抑制腫瘤生長，提高腫瘤部位細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞的增殖和浸潤，同時降低調(diào)節(jié)T細(xì)胞（Treg）的數(shù)量。Wang等[38]報道了一種自我降解的可溶微針遞送系統(tǒng)，采用pH響應(yīng)的右旋糖酐納米粒包載PD-1抗體和葡萄糖氧化酶，利用葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖產(chǎn)生的酸性環(huán)境，催化納米粒的降解，進(jìn)而釋放PD-1抗體。

2.3 核酸類藥物

可溶微針也被廣泛應(yīng)用于基因藥物的遞送。RNA是一種極具潛力的治療工具，被廣泛用于治療由基因異常表達(dá)引起的皮膚疾病，如過敏、銀屑病和皮膚癌等[39]。Pan等[40]利用可溶微針遞送 PEI（polyetherimide）/STAT3（signal transducer and activator of transcription 3）siRNA用于治療皮膚黑色素瘤。通過局部遞送STAT3 siRNA，有效抑制腫瘤細(xì)胞中STAT3 mRNA翻譯，誘導(dǎo)40%腫瘤細(xì)胞壞死，顯著抑制了黑色素瘤細(xì)胞的生長。Lara等[41]制備了聚乙烯醇-聚甲基丙烯酸甲酯可溶微針，通過遞送siRNA抑制了細(xì)胞CD44基因的表達(dá)。Cole等[42]制備了一種載E6/E7 pDNA RALA納米?？扇芪⑨樣糜谥委煂m頸癌。結(jié)果表明，90%的可溶微針都能刺入皮膚，且在15 min內(nèi)幾乎完全溶解；微針治療后，相應(yīng)抗體濃度是對照組的2倍，且T細(xì)胞對人乳頭狀瘤病毒-16致瘤的腫瘤抗原具有更強(qiáng)的反應(yīng)性。

3 結(jié)語與展望

自1998年第一篇關(guān)于微針遞送藥物的文章發(fā)表以來[43]，微針在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的研究應(yīng)用日益增加。微針的多陣列給藥與皮下單點注射相比，能有效提高藥物在空間維度的均勻分布。尤其是對于淺表病灶的治療，微針可以直接將藥物遞送到病灶部位。目前已有接近40個微針遞藥系統(tǒng)完成了美國國立衛(wèi)生研究院相關(guān)的臨床試驗，主要用于治療1型糖尿病、銀屑病和局部麻醉?？招奈⑨樐芡ㄟ^現(xiàn)有的注射劑型進(jìn)行藥物傳遞，無需額外研究開發(fā)新的劑型。為降低研發(fā)成本，目前大多數(shù)臨床試驗使用的是空心微針和涂層微針，只有少數(shù)研究應(yīng)用可溶微針來遞送蛋白質(zhì)和多肽等。

除了直接利用可溶微針遞送藥物。利用納米制劑的智能響應(yīng)釋藥性能，聯(lián)合可溶微針高效的遞送策略，在各種疾病模型中均取得了顯著成果。然而在實際應(yīng)用中仍面臨諸多問題。例如，雖然基于納米制劑的微針遞送系統(tǒng)的開發(fā)，在臨床前研究展現(xiàn)出極佳的釋藥性能和治療效果。但該體系的構(gòu)建較為復(fù)雜，不利于放大生產(chǎn)和實際應(yīng)用。另外，有必要探究該體系在皮膚內(nèi)溶解釋放后納米粒和藥物釋放分布動力學(xué)，以及針體材料與藥物或納米制劑相互作用后納米制劑的釋藥性能和體內(nèi)分布。

盡管多項臨床前研究表明，可溶微針在抗腫瘤、降血糖、疫苗接種、抗炎和鎮(zhèn)痛等方面表現(xiàn)出巨大的潛力。但大多數(shù)的研究僅僅集中在臨床前階段。目前還沒有可靠的臨床前研究模型可用于準(zhǔn)確預(yù)測微針遞藥系統(tǒng)的吸收和生物利用度，因此增加了臨床轉(zhuǎn)化的風(fēng)險。未來臨床應(yīng)用的成功與否，很大程度上取決于能否合理設(shè)計出具有良好生物相容性和生物利用度的可溶微針遞送系統(tǒng)?？偟膩碚f，可溶微針貼片在提高藥物經(jīng)皮遞送，增加藥物生物利用度，提高療效等方面具有極大的潛力和優(yōu)勢。今后的基礎(chǔ)研究要進(jìn)一步結(jié)合產(chǎn)業(yè)化理念，加速可溶微針產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。