微針介導(dǎo)的淺表腫瘤治療研究進(jìn)展

宋 高 劉天琦 張雪雅 童再再,3 江國華,3*

1(浙江理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院高分子材料系，杭州 310018)

2(浙江理工大學(xué)智能生物材料研究所，杭州 310018)

3(浙江-毛里求斯生物醫(yī)用材料與組織工程聯(lián)合中心，杭州 310018)

引言

淺表腫瘤(superficial tumors),包括乳腺癌(breast cancer)、口腔上皮癌(oral epithelial carcinoma)、人骨肉瘤(human osteosarcoma)、黑色素瘤(melanoma)、鱗狀細(xì)胞癌(basal cell carcinoma)和基底細(xì)胞癌(squamous cell carcinoma)等[1-2]。目前淺表腫瘤患病率呈逐年增長的趨勢，嚴(yán)重威脅著人們的生命和健康。外科手術(shù)是此類淺表腫瘤疾病的主要治療手段，但也存在皮膚缺損大、恢復(fù)時(shí)間長、復(fù)發(fā)率高等不足[3]。此外，化療作為最經(jīng)典的抗腫瘤治療手段之一，由于患者反應(yīng)持續(xù)時(shí)間和生存能力差等原因，通常導(dǎo)致在惡性腫瘤治療中表現(xiàn)出不盡人意的療效[4]。最近，出現(xiàn)的一些新興治療方法，如光熱療法(photothermotherapy, PTT)[5]、光動力療法 (photodynamic therapy, PDT)[6]、基因療法(gene therapy, GT)[7]及免疫療法(immunotherapy，IT)[8]，具有治療效果好、全身毒性低及副作用小等優(yōu)點(diǎn)，在淺表腫瘤治療方面表現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

目前，有研究報(bào)告表明，PPT、PDT、GT、IT及化學(xué)療法(chemotherapy, CT)相互結(jié)合的多重協(xié)同療法，可以在較低的藥物劑量下，即可獲得比傳統(tǒng)的單一治療更顯著的抗腫瘤效果[9-11]。為達(dá)到綜合治療效果，治療藥物(如光熱劑、光敏劑或化療藥物等)通常需要準(zhǔn)確地進(jìn)入腫瘤部位，但如何將治療藥物安全有效地輸送至腫瘤部位仍是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。全身給藥(如靜脈注射)，通常需要很高的給藥劑量，以保證腫瘤部位的局部藥物量，但這會破壞正常細(xì)胞而引起人體嚴(yán)重的副作用[12]。相比其他注射給藥途徑，局部瘤內(nèi)注射給藥更加有效。雖然這可以相對減少藥物劑量，但是由于實(shí)體腫瘤間質(zhì)中沒有足夠的空間容納液體，可能導(dǎo)致藥物泄漏到鄰近的正常組織，從而對正常組織產(chǎn)生毒性，對腫瘤區(qū)域藥物的有效性也造成損失[13]。相對于傳統(tǒng)給藥方式存在的諸多弊端，局部透皮給藥安全且方便。透皮給藥系統(tǒng)(transdermal delivery system, TDS)，能使目標(biāo)藥物透過皮膚角質(zhì)層障礙進(jìn)入真皮層，而后通過毛細(xì)血管參與進(jìn)入人體的血液循環(huán)。因其獨(dú)特的給藥方式，使其能避免肝臟首過效應(yīng)，防止胃腸道副作用，提高患者依從性等，近年來的發(fā)展尤為迅猛[14-15]]。但是，皮膚角質(zhì)層往往對藥物起一定的阻礙作用，致使藥物傳遞效率大為降低，從而限制其進(jìn)一步的應(yīng)用[16-17]。

皮膚作為人體最大的身體器官，主要由表皮、真皮和皮下組織組成，如圖1所示[18]。由于皮膚屏障功能的存在，阻礙了外界細(xì)菌進(jìn)入體內(nèi)及營養(yǎng)物質(zhì)流失體外，但被動屏障作用也對透皮給藥造成了一定困難。通過物理技術(shù)，可以促進(jìn)藥物透皮吸收，如微針透皮給藥[19-20]、離子導(dǎo)入技術(shù)[21-22]、電穿孔技術(shù)[23-24]及超聲導(dǎo)入技術(shù)[25-26]、磁場導(dǎo)入技術(shù)[27]、激光消融[28]等，均大大提高了藥物的經(jīng)皮透過率。其中，微針透皮給藥，是一種集皮下注射與透皮給藥雙重釋藥特點(diǎn)的微創(chuàng)局部給藥體系，具有更方便、靈活、安全等優(yōu)勢，已引起國際學(xué)者和醫(yī)療工作者的廣泛關(guān)注，逐漸成為未來藥物輸送研究的重要方向。而淺表腫瘤恰好位于體表皮膚以及皮下組織，微針透皮給藥體系能突破皮膚角質(zhì)層的障礙，使藥物較長時(shí)間集中于腫瘤組織，極大提高了藥物的利用率，從而獲得更持續(xù)的療效。此外，相對于傳統(tǒng)的給藥方式，微針透皮給藥在藥物用量相對低的情況下，可獲得更好的治療效果，降低了藥物的全身毒性而更加安全，這在淺表腫瘤治療方面表現(xiàn)出得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。

圖1 人皮膚層的示意[18]Fig.1 Schematic illustration of the human skin layer[18]

1 微針的類型

微針(microneedle, MN)是運(yùn)用微加工工藝技術(shù)，以硅或二氧化硅、金屬、聚合物等作為材料制作的微米級針狀陣列，通常是由數(shù)十至數(shù)百空心或?qū)嵭奈⑨?針長50～900 μm)，組成1～2 cm2的透皮貼片；可以有效穿透皮膚角質(zhì)層，并創(chuàng)造藥物輸送的途徑，進(jìn)而透皮傳遞藥物[29]。1998年，Henry等[30]首次將微針用于透皮給藥，提高了鈣黃綠素的經(jīng)皮透過率近1 000倍，在隨后幾十年中，微針作為具有重要發(fā)展前景的藥物傳遞平臺，已經(jīng)吸引人們越來越多的關(guān)注。

已經(jīng)開發(fā)的不同類型的微針，根據(jù)作用方式不同可分為實(shí)體微針(solid MN)[31-32]、包覆微針(coated MN)[33-36]、中空微針(hollow MN)[37-38]和可溶(熔)微針(dissolving (melted) MN)[39-42]等4種類型，其給藥方式如圖2所示[43]，性能分析如表1所示。其中，可

圖2 微針透皮給藥藥物輸送示意[43]。(a)實(shí)體微針;(b)包覆微針;(c)中空微針;(d)可溶(熔)微針Fig.2 Schematic diagram of transdermal drug delivery[43]. (a) Solid MN; (b) Coated MN; (c) Hollow MN; (d) Dissolving (melted) MN

表1 微針類型Tab.1 Microneedle category

溶(熔)微針因其制備簡單、易操作、生物相容性好、藥物釋放可控、給藥精準(zhǔn)等優(yōu)勢，已經(jīng)在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域取得進(jìn)展，如治療糖尿病[44-50]、肥胖[51]、高血壓[52]及神經(jīng)性疼痛[53]，避孕[54-55]，促進(jìn)頭發(fā)再生[56]，抗炎[57]，消除腫瘤[58-59]等，未來其應(yīng)用也將越發(fā)廣泛。此外，可溶(熔)微針類型根據(jù)微針針體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為一體式和可分離式兩種，其針體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)為優(yōu)化治療淺表腫瘤的微針提供了思路，可以提高其安全性及療效。

1.1 一體式可溶(熔)微針

一體式可溶(熔)微針由微針針體與微針支撐基底組成。由于皮膚的高度可變性及彈性，導(dǎo)致只有一部分微針針體能夠插入皮膚，而與微針基底相連接的針體一部分則停留在皮膚外面。嵌入皮膚的針體溶解(熔融)而釋放所負(fù)載的藥物，或者針體吸收皮膚組織間質(zhì)液后溶脹而將所負(fù)載藥物釋放。

Lopez-Ramirez等[58]開發(fā)了一種自主且可降解的主動式微針輸送平臺，以聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone, PVP)為針體材料，利用微針貼片負(fù)載的鎂微粒作為內(nèi)置引擎，實(shí)現(xiàn)更深入、更快的皮內(nèi)有效載荷遞送，如圖3(a)所示。在皮膚插入后，微針針體開始溶解，暴露嵌入的鎂顆粒與周圍的皮膚組織間質(zhì)液發(fā)生即時(shí)反應(yīng)，產(chǎn)生類似于爆炸的氫氣氣泡, 如圖3(b)所示。微泡形成的獨(dú)特渦旋流場，產(chǎn)生一個(gè)自主強(qiáng)大的泵狀作用和局部施加的力量，從而使嵌入治療的載荷動態(tài)且非常有效地運(yùn)輸和滲透。Zhang等[60]采用模板澆鑄法，制備可溶性PVP一體式微針。Yu等[61]利用甲基丙烯酸酯化的透明質(zhì)酸(hyaluronic acid, HA)作為微針的主體材料，在微針脫模后對微針進(jìn)行紫外(ultraviolet, UV)交聯(lián)，提高微針的機(jī)械強(qiáng)度，通過刺入皮膚、吸收皮膚組織間質(zhì)液而釋放藥物。Kim等[62]開發(fā)了可溶性羧甲基纖維素(carboxymethyl cellulose, CMC)氣泡微針，在氣泡處填充粉末藥物。

圖3 增強(qiáng)藥物遞送的主動微針[58]。(a)主動微針示意；(b)微針頭在PBS 與pH 6.0中的溶解和顆?；罨?間隔30 s)的顯微鏡圖像Fig.3 Active microneedle for enhanced drug delivery[58]. (a) Active microneedle patch composition, and built-in Mg particle activation as pumps when in contact with bodily fluids, leading to an enhanced drug release; (b) Microscopy time-frame images taken from a single active microneedle tip clearly showing polymer dissolution in PBS pH 6.0 and particle activation (30 s intervals)

1.2 可分離式可溶(熔)微針

可分離式可溶(熔)微針則由微針箭頭與微針支撐基底組成。當(dāng)微針插入皮膚后，由于外部環(huán)境的影響，導(dǎo)致微針箭頭與微針基底分離，進(jìn)而嵌入皮膚的載藥微針箭頭可以根據(jù)不同需求釋放藥物。

Li等[54]設(shè)計(jì)了氣泡結(jié)構(gòu)的微針，聚乳酸和聚乳酸-乙醇酸共聚物微針針體與基底貼之間形成氣泡結(jié)構(gòu)，允許微針有效地穿透皮膚，并在貼片使用5 s內(nèi)在剪切下斷開，如圖4(a)所示。Li等[55]設(shè)計(jì)可快速分離泡騰微針，由可生物降解的聚乳酸-羥基乙酸共聚物(poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA)作針體，聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA) /蔗糖作為支撐基底，在兩者之間設(shè)計(jì)了由含檸檬酸與碳酸氫鈉的PVP連接層。當(dāng)微針刺穿皮膚時(shí)，溶解在皮膚組織間質(zhì)液中的碳酸氫鈉與檸檬酸快速反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳?xì)馀?，從而?shí)現(xiàn)1 min內(nèi)與基底分離，如圖4(b)所示。Lee等[56]通過光刻、反向拉伸技術(shù)制備混合電極微針，該微針系統(tǒng)由可溶性麥芽糖箭頭與鋁電極支撐基底組成；當(dāng)微針插入皮膚后，麥芽糖箭頭溶于組織液與電極基底分離，如圖4(c)所示。Yu等[63]設(shè)計(jì)了近紅外光觸發(fā)的可分離的微針系統(tǒng)，該微針由疏水性聚己內(nèi)酯(polycaprolactone, PCL)微針箭頭與親水性PVA/PVP支撐基體組成；當(dāng)微針插入皮膚后，PVA/PVP基底溶解于皮膚組織間質(zhì)液，而將載藥的PCL箭頭嵌留在皮膚內(nèi)，如圖4(d)所示。

圖4 可分離微針。(a)氣泡微針的顯微圖像，黑色箭頭表示微針界面處的氣泡結(jié)構(gòu)[54]；(b)可分離泡騰微針的顯微圖像 [55]；(c)混合電極微針的顯微圖像(放大插圖)[56]；(d)針尖裝有羅丹明6G的可分離式微針的顯微鏡圖像[63]Fig.4 Separable microneedles. (a) Representative bright-field microscopy images of an array of microneedles containing bubbles. The black arrows identify bubble structures at the interface of the microneedles and patch backing [54]；(b) Microscopic image of separable effervescent microneedle[55]；(c) A dissolving microneedle and an electrode were integrated into a monolithic HEM (inset shows an enlarged view)[56]；(d) Microscope camera photos of separable MNs with Rhodamine 6G loaded in the needle tips[63]

一體式微針具有制備簡單的優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)槿似つw的高度可變性和彈性，不可能全部成功插入皮膚中，導(dǎo)致所負(fù)載藥物浪費(fèi)?？煞蛛x式微針制備過程雖然相對復(fù)雜，但卻極大提高了藥物的利用率；而且還可減少皮膚刺激，降低患者依從性及不可避免的皮膚刺激，如紅斑和水腫[64-65]。此外，可溶(熔)微針的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍是一個(gè)值得關(guān)注的課題，如何優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，便于其順利刺入皮膚，提高其負(fù)載藥物的利用率是未來微針設(shè)計(jì)的趨勢。另外，微針透皮給藥所具有的優(yōu)勢，使其未來取代目前傳統(tǒng)的注射給藥方式成為可能。但是，在可溶(熔)微針的制備過程中，如何選擇針體材料、溶劑及制備條件，確保負(fù)載于微針中的目標(biāo)藥物長時(shí)間保持其活性，是一個(gè)需要考慮重點(diǎn)[66-67]。此外，由于針體材料吸收空氣中的濕度，可能影響可溶(熔)微針順利刺穿皮膚，所負(fù)載的目標(biāo)藥物也可能由于外部環(huán)境影響而失活，所以可溶(熔)微針的儲存及運(yùn)輸也是日后需要解決的問題。

2 微針治療淺表腫瘤

微針作為一種新的透皮給藥方式，能突破皮膚角質(zhì)層的障礙。由于藥物在克服皮膚屏障后可集中于皮下組織，因此微針用于治療淺表腫瘤具有極大的優(yōu)勢，同時(shí)也可以結(jié)合當(dāng)前新興的診療技術(shù)，如化學(xué)療法、光熱療法、光動力療法、基因療法及免疫療法等[68-88]，如表2所示。由此可見，微針透皮給藥未來將開創(chuàng)安全且有效治療淺表腫瘤的新局面。

表2 微針結(jié)合各種療法治療淺表腫瘤Tab.2 Microneedle combined with various therapies for superficial tumor treatment

2.1 微針促滲治療

Naguib等[68]利用微針滾軸，在皮膚角質(zhì)層創(chuàng)建微孔道，并涂上含5-氟尿嘧啶(5-Fluorouracil, 5-FU)的乳膏，用于治療黑色素瘤。結(jié)果表明，微針可以促進(jìn)5-FU通過皮膚的通量提高4.5倍。此外，相對于未經(jīng)微針預(yù)處理的對照組，微針治療效果顯著提高。然而，在腫瘤治療中，單一化療藥物的普遍使用表現(xiàn)出更多的局限性，如沒有藥物釋放的持久性、耐藥性和其他不良副作用等。Ahmed等[69]利用微針滾軸，在皮膚角質(zhì)層創(chuàng)建微孔道，并涂上負(fù)載鹽酸阿霉素(doxorubicin, DOX)和塞來昔布(celecoxib, CEL)的脂質(zhì)體/凝膠，協(xié)同治療黑色素瘤，如圖5所示。結(jié)果表明，與被動給藥相比，經(jīng)微針預(yù)處理后，脂質(zhì)體/凝膠中的DOX對皮膚的滲透增加了約2倍。此外，較單藥脂質(zhì)體，負(fù)載DOX/ CEL脂質(zhì)體/凝膠協(xié)同給藥的抗腫瘤效果明顯增強(qiáng)。

圖5 通過微針技術(shù)將DOX/CEL共載脂質(zhì)體送入黑色素瘤異種移植小鼠模型[69]Fig.5 Schematic illustration of DOX/CEL co-loaded liposomes delivered into melanoma xenograft mice model through microneedles technique[69]

Tham等[70]通過硅烷共聚和水解，將光敏劑酞菁(phthalocyanine, Pc)官能化，得到Pc鍵合的介孔有機(jī)硅，然后負(fù)載靶向黑色素瘤細(xì)胞的絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase, MAPK)的抗癌藥物達(dá)布拉非尼(dabrafenib)和曲美替尼(trametinib)，通過微針促進(jìn)藥物滲透至深層皮膚組織，進(jìn)而達(dá)到PDT與CT協(xié)同治療黑色素瘤的目的，如圖6所示。利用錐形不銹鋼微針貼片刺穿皮膚，在皮膚中形成微孔通道，將藥物涂覆在微針處理后的皮膚位置，使靶向藥物方便滲透進(jìn)皮膚，進(jìn)而進(jìn)入腫瘤部位；同時(shí)，腫瘤部位的光敏劑在近紅外(near infrared, NIR)光照射下，將腫瘤細(xì)胞內(nèi)源性分子氧轉(zhuǎn)化為細(xì)胞毒性的單線態(tài)氧(1O2)，其作為一種毒性強(qiáng)的活性氧(reactive oxygen species, ROS)，可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡或壞死。雖然微針促滲技術(shù)可以讓藥物透過皮膚角質(zhì)層進(jìn)入腫瘤部位，但無法對腫瘤提供精準(zhǔn)給藥。此外，與介孔硅鍵合后的Pc量子產(chǎn)率和光穩(wěn)定性大大提高，而且癌細(xì)胞對光敏劑無耐藥性，即可重復(fù)治療。但是，由于腫瘤微環(huán)境乏氧，導(dǎo)致其在激光照射下所產(chǎn)生殺傷腫瘤細(xì)胞的1O2有限。此外，上述所用的化療藥物雖然可以靶向腫瘤細(xì)胞，但由于腫瘤乏氧的微環(huán)境，且PDT還消耗一部分氧，導(dǎo)致腫瘤的耐藥性相對增強(qiáng)，這可能使上述協(xié)同治療的效果有所下降。

圖6 PcNP@Drug的合成，在患病皮膚中的滲透以及PcNP@Drug的細(xì)胞作用機(jī)制[70]Fig.6 Synthesis of PcNP@Drug and its penetration into diseased skin and cellular mechanism for the action of PcNP@Drug [70]

微針促滲治療淺表腫瘤，主要是利用固體微針刺穿皮膚表層角質(zhì)層并在皮膚內(nèi)形成微孔道，以便于藥物能夠突破皮膚障礙滲透入皮膚組織，達(dá)到藥物輸送的目的。但是，用于促滲的微針在使用前需消毒處理并多次刺入皮膚，使用較繁瑣，此外微生物可由微針產(chǎn)生的微孔道進(jìn)入皮膚真皮引發(fā)感染[89-90]，最重要的是微針促滲無法提供精準(zhǔn)給藥。

2.2 微針化學(xué)治療

Lu等[71]利用微立體光刻技術(shù)，將抗皮膚癌藥物達(dá)卡巴嗪混于針體材料聚富馬酸丙二醇酯(polypropylene fumarate, PPF)中，3D打印出微針陣列。其中，微針針體材料中加入富馬酸二乙酯(diethyl fumarate, DEF)，進(jìn)而紫外光引發(fā)劑誘PPF/DEF碳-碳雙鍵交聯(lián)，從而增強(qiáng)微針的機(jī)械強(qiáng)度，以使其順利刺入皮膚。達(dá)卡巴嗪持續(xù)釋放時(shí)間可以長達(dá)5周，表明基于PPF載有藥物的微針是治療皮膚癌的一種潛在有效方法。Uddin等[72]利用立體光刻3D打印技術(shù)制造生物相容性光敏聚合物樹脂微針，并利用噴墨點(diǎn)膠法在微針表面均勻噴涂由聚合物包覆的化療藥物順鉑(cisplatin, CPT)，用于治療鱗狀細(xì)胞癌。其中，親水性聚乙烯基己內(nèi)酰胺聚乙酸乙烯酯-聚乙二醇聚合物用于包覆疏水性藥物順鉑，有助于快速將CPT遞送至表皮。用Balb/c裸鼠進(jìn)行了體內(nèi)評估，表明微針表面涂層中的CPT有足夠的滲透性，且具有高抗癌活性并能消退腫瘤。

盡管化學(xué)療法能快速把腫瘤細(xì)胞殺死，但是所用到的化療藥物的非特異性分布和迅速被清除會使化療效果嚴(yán)重下降，并可能會引發(fā)全身性不良副作用，如阿霉素可引發(fā)心臟毒性的副作用，可能導(dǎo)致充血性心力衰竭和死亡[91]。盡管3D打印微針的使用顯示了抗腫瘤藥物體內(nèi)經(jīng)皮傳遞的潛力，但確保目標(biāo)藥物活性往往受到可3D打印微針材料及制備條件(如溫度、溶劑等)的限制；雖然3D打印微針技術(shù)可以滿足小批量快速制備微針，但還無法應(yīng)用于商業(yè)化量產(chǎn)；此外，對于3D打印設(shè)備，精準(zhǔn)度要求比較高。

2.3 微針光動力療法

Zhu等[73]制備了負(fù)載光敏劑5-氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinic acid, 5-ALA)的透明質(zhì)酸的可溶性微針，用于光動力治療乳腺腫瘤。這種微針不僅可以幫助負(fù)載的5-ALA有效穿透角質(zhì)層，使藥物快速到達(dá)腫瘤部位，而且在NIR光激發(fā)下，可將腫瘤細(xì)胞內(nèi)源性分子氧轉(zhuǎn)化為細(xì)胞毒性的1O2，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡或壞死。此外，還可以為5-ALA提供酸性和無氧環(huán)境，通過席夫堿鍵和形成惰性吡嗪衍生物來減少5-ALA分子的二聚化，從而保持其化學(xué)結(jié)構(gòu)和生物活性。結(jié)果表明，微針透皮給藥治療腫瘤比皮膚滲透給藥效果更好。Zhao等[74]也報(bào)道了相似的研究結(jié)果，制備了負(fù)載光敏劑5-ALA的透明質(zhì)酸可溶性微針，用于光動力治療口腔上皮腫瘤。結(jié)果表明，相對于尾靜脈注射組(含5-ALA 1.65 mg)腫瘤抑制率為66%，而微針組(含5-ALA 0.61 mg)腫瘤抑制率卻高達(dá)97%。

2.4 微針基因療法

Lee等[56]設(shè)計(jì)了一種由電極與可溶性微針針頭組成的混合電微針，用于黑色素瘤的基因治療。其中，包覆p2CMVmIL-12基因的麥芽糖微針針頭刺穿皮膚角質(zhì)層，進(jìn)而溶解將封裝的DNA釋放到皮膚的間隙中；通過電極施加電場脈沖，瞬時(shí)增加腫瘤細(xì)胞膜的通透性，即通過電穿孔將外源性的DNA引入腫瘤細(xì)胞內(nèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通過皮膚滲透和釋放細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)染基因的目的，如圖7所示。結(jié)果表明，該微針體系有助于p2CMVmIL-12轉(zhuǎn)移及黑色素瘤的消退。Li等[75]設(shè)計(jì)了皮膚微環(huán)境響應(yīng)微針貼片基因快速釋放治療口腔上皮腫瘤，首先利用模板，采用高溫熔融法，制備了聚己內(nèi)酯微針，然后通過逐層自組裝，在微針表面涂覆pH響應(yīng)型聚電解質(zhì)多層膜(polyelectrolyte multilayer, PEM)，其中PEM由電荷可逆聚合物二甲基馬來酸酐改性的聚賴氨酸(polylysine-dimethyl maleic anhydride, PLL-DMA)和聚乙烯亞胺(polyethyleneimine, PEI)組成的過渡層與p53表達(dá)質(zhì)粒(p53 DNA)/ PEI基因負(fù)載層兩部分組成，如圖8所示。當(dāng)該微針體系刺入皮膚時(shí)，由于皮膚弱酸性環(huán)境，帶負(fù)電荷的PLL-DMA會轉(zhuǎn)變?yōu)閹д姾傻腜LL，進(jìn)而導(dǎo)致過渡層迅速坍塌，促進(jìn)最外層p53 DNA的快速釋放。結(jié)果表明，該pH響應(yīng)的基因微針是一種安全有效地抑制皮下腫瘤生長的基因給藥系統(tǒng)，相對于尾靜脈注射組腫瘤抑制率為30.5%，而該pH響應(yīng)微針組腫瘤抑制率卻高達(dá)90.1%。

圖7 混合電極微針用于原位皮膚基因轉(zhuǎn)移[56]Fig.7 Schematic representation of in-situ cutaneous gene transfer by the hybrid electro-microneedle[56]

圖8 通過逐層組裝pH響應(yīng)過渡層和基因負(fù)載層修飾的微針[75]Fig.8 The scheme of microneedle patch modified with pH-responsive transition layers and gene-loaded layers by layer-by-layer assembly[75]

2.5 微針免疫療法

Wang等[76]設(shè)計(jì)了免疫治療黑色素瘤的微針貼片，該微針由生物相容性好的透明質(zhì)酸和包覆抗體PD-1(PD-1 antibody, aPD1)、葡萄糖氧化酶(glucose oxidase, GOx)及過氧化氫酶(catalase, CAT)的具有pH響應(yīng)性的葡聚糖納米顆粒(nanoparticles, NPs)組成，GOx可將體內(nèi)的血糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖酸(C6H12O7)和過氧化氫(H2O2)，而過量H2O2則通過CAT生成O2促進(jìn)葡萄糖(C6H12O6)氧化。酸性環(huán)境的產(chǎn)生促進(jìn)了NPs的自解，從而導(dǎo)致aPD1的大量釋放，如圖9所示。結(jié)果表明，相比沒有pH響應(yīng)性的微針和腫瘤內(nèi)注射相同劑量aPD1，所設(shè)計(jì)的pH響應(yīng)微針具有更強(qiáng)的免疫誘導(dǎo)反應(yīng)。

圖9 微針貼劑輔助遞送aPD1用于皮膚癌治療76]Fig.9 The MN patch-assisted delivery of aPD1 for the skin cancer treatment76]

Kim等[77]首先將細(xì)胞毒性T細(xì)胞表位肽SIINFEKL(serine-isoleucine-isoleucine-asparagine- phenylalanine-glutamic acid-lysine-leucine)與透明質(zhì)酸耦合形成透明質(zhì)酸-抗原肽綴合物(HA-SIINFEKL)，并以此為針體材料，利用模板法制備可溶性微針，用于免疫治療黑色素瘤。SIINFEKL可誘導(dǎo)抗原特異性CD8+T細(xì)胞反應(yīng)，隨后抑制了攜帶抗原的腫瘤生長，如圖10所示。然而，裸抗原肽由于腫瘤介導(dǎo)的免疫抑制和有限的T細(xì)胞募集，導(dǎo)致免疫原性不足，而HA介導(dǎo)免疫則克服了目前肽疫苗的局限性，微針透皮給藥則可進(jìn)一步提高給藥效率。研究表明，該微針系統(tǒng)明顯抑制了小鼠黑素瘤腫瘤的生長速度。

圖10 使用微針貼劑透皮免疫，可遞送多價(jià)透明質(zhì)酸-抗原肽偶聯(lián)物微針，用于癌癥免疫治療[77]Fig.10 Schematic illustration for the transdermal immunization using a microneedle patch delivering multivalent hyaluronate (HA)-antigenic peptide (SIINFEKL) conjugates for cancer immunotherapy[77]

Ye等[78]采用了黑色素介導(dǎo)的微針免疫治療黑色素瘤策略，將含有黑色素B16F10全腫瘤裂解液裝載到微針中，使裂解液在插入皮膚后持續(xù)釋放。結(jié)合近紅外光照射，斑塊中的介導(dǎo)黑色素產(chǎn)生熱量，進(jìn)一步促進(jìn)樹突狀細(xì)胞對腫瘤抗原的攝取，并增強(qiáng)T細(xì)胞的活性，進(jìn)而增強(qiáng)抗腫瘤免疫反應(yīng)。結(jié)果表明，該微針疫苗可延緩遠(yuǎn)處腫瘤的生長，并改善、延長活體存活時(shí)間。

2.6 微針協(xié)同治療

目前，單一療法存在固有局限性，而多種療法協(xié)同治療腫瘤的效果表現(xiàn)更好。微針作為一種新興透皮給藥方式，在藥物輸送至淺表腫瘤部位的過程中起著至關(guān)重要的作用。與此同時(shí)，多功能納米藥物的設(shè)計(jì)仍是治療腫瘤的關(guān)鍵，賦予納米藥物多重療效是未來納米藥物設(shè)計(jì)的趨勢。此外，根據(jù)納米藥物的特性，選擇與之相符的微針針體材料也需考慮。

2.6.1微針化學(xué)-光熱協(xié)同療法

Chen等[79]開發(fā)了NIR光觸發(fā)的兩段式可分離微針給藥系統(tǒng)，用于光熱和化療協(xié)同治療皮膚腫瘤，該系統(tǒng)由負(fù)載光熱劑六硼化鑭(lanthanum hexaboride, LaB6)和抗癌藥物鹽酸阿霉素的聚己內(nèi)酯針頭和可溶性聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮支撐基地組成，如圖11所示。

圖11 近紅外光可激活微針用于化學(xué)療法-光熱療法協(xié)同治療[79]Fig.11 Schematic illustrations of combination of chemotherapy and photothermal therapy using near-infrared (NIR) light-activatable microneedles (MNs) [79]

當(dāng)微針插入腫瘤部位后，可溶性支撐基底吸收皮膚間質(zhì)液迅速溶解，而針尖部分嵌留在皮膚組織內(nèi)，導(dǎo)致微針針尖部分與支撐基底分離。這樣不僅防止了皮膚長時(shí)間接觸貼片可能引發(fā)皮膚刺激帶來的不舒適感，而且避免了微針插入不完全導(dǎo)致的藥物浪費(fèi)。通過NIR光照射，由于LaB6的光熱轉(zhuǎn)化作用，嵌入皮膚的相變針頭消融，皮膚腫瘤區(qū)域溫度升高至50℃左右，不僅熱消融皮膚腫瘤細(xì)胞，而且加快DOX的釋放，進(jìn)一步殺死腫瘤細(xì)胞。

Dong等[80]開發(fā)了由透明質(zhì)酸制備的可溶性微針負(fù)載光熱劑金納米籠(gold nanocage, AuNC)及化療藥物阿霉素協(xié)同治療淺性皮膚癌， 如圖12所示。該微針給藥系統(tǒng)可有效穿透皮膚、溶解在皮膚中，并在腫瘤部位釋放藥物。在NIR光照射下，AuNC將光能轉(zhuǎn)化為物理熱能，引起不可逆的細(xì)胞損傷和隨后的癌細(xì)胞消融，同時(shí)DOX對腫瘤起到抑制生長的作用，進(jìn)而達(dá)到協(xié)同治療腫瘤的目的。Hao等[81]也報(bào)道了類似的研究工作，值得注意的是其將光熱轉(zhuǎn)換劑金納米棒聚乙二醇(PEGylated gold nanorod，GNR-PEG)化，提高了光熱劑生物相容性。

圖12 負(fù)載藥物/Au NC的可溶解透明質(zhì)酸微針系統(tǒng)用于化學(xué)療法-光熱療法協(xié)同治療黑素瘤[80]Fig.12 Schematic illustration showing drug/Au NC loaded dissolving HA MN system for the combination of chemotherapy and photothermal therapy of treating melanoma[80]

雖然微針透皮給藥治療皮膚癌獲得很好的抑制效果，但是LaB6、AuNC光熱劑生物相容性差，盡管可以PEG化或采用介孔硅負(fù)載等方式提高其生物相容性，但依舊存在不易在體內(nèi)降解的弊端。Hao等[82]用單甲氧基聚乙二醇-聚己內(nèi)酯包覆化療藥物5-氟尿嘧啶和光熱劑吲哚菁綠(indocyanine green, ICG)，加載到透明質(zhì)酸微針中，用于光熱和化療協(xié)同治療黑色素瘤及鱗狀細(xì)胞癌。Pei等[83]通過合成介孔有機(jī)硅裝載化療藥物鹽酸阿霉素和近紅外染料吲哚菁綠，由聚乙烯吡咯烷酮制備的可溶性微針?biāo)?fù)載，用于光熱和化療協(xié)同治療人骨肉瘤。Peng等[84]使用兩相α-生育酚琥珀酸酯功能化的聚乳酸-羥基乙酸共聚物(α-tocopheryl succinate functionalized poly (lactic-co-glycolic acid) nanoparticles，PTNPs)，作為微針針體材料，負(fù)載化療藥物紫杉醇(paclitaxel, PTX)和光熱劑吲哚菁綠，用于光熱和化療協(xié)同治療黑色素瘤。諸如ICG、普魯士藍(lán)(prussian blue, PB)等紅外染料，作為最新一代光熱劑，因其具有在體內(nèi)易降解、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，未來應(yīng)用前景更好。此外，對于PTT治療淺表腫瘤，最重要的是如何精準(zhǔn)控制光熱劑的用量：在NIR光輻射下，腫瘤部位溫度過低，治療效果不明顯；溫度過高，則可能會造成腫瘤潰爛壞死，不利于下一步治療。

2.6.2微針光動力-免疫協(xié)同療法

Chen等[85]首先合成微針針體材料丙烯酸酯改性的透明質(zhì)酸(acrylate modified HA, MeHA)，采用微模板法并通過紫外固化得到可溶性微針。另外，合成縮醛化葡聚糖(acetal modified dextran， Ac-DEX)，包裹光敏劑酞菁鋅(Zinc Phthalocyanine, ZnPc)和免疫檢查點(diǎn)抑制劑(anti-CTLA4 antibody, aCTLA4)，并負(fù)載于微針中進(jìn)行光動力-免疫協(xié)同治療乳腺腫瘤, 如圖13所示。當(dāng)微針系統(tǒng)穿透富含腫瘤細(xì)胞的表皮時(shí)，其會迅速溶解并釋放出ZnPc。此外，腫瘤酸性微環(huán)境可加速Ac-DEX降解，進(jìn)一步觸發(fā)ZnPc和抗體釋放。結(jié)果表明，該P(yáng)DT可以誘導(dǎo)腫瘤區(qū)域的局部免疫反應(yīng)，此微針設(shè)計(jì)策略開辟了高效、安全地PDT-IT協(xié)同治療腫瘤的新途徑。

圖13 微針輔助共遞送系統(tǒng)策略以及微針光動力-免疫協(xié)同療法可能機(jī)制[85]Fig.13 Scheme of the MN-assisted co-delivery system and possible mechanism of antitumor immune responses induced by MN-assisted PDT in combination with immune checkpoint blockade[85]

2.6.3微針光熱-基因協(xié)同療法

Xu等[86]采用兩步法模板法制備了透明質(zhì)酸可溶性微針，并負(fù)載光熱劑新吲哚菁綠IR-820及p53抑癌基因 (p53 tumor suppressor gene, p53 DNA)、光熱-基因協(xié)同治療上表皮口腔癌，如圖14所示。結(jié)果表明，該微針系統(tǒng)可迅速溶解(5 min內(nèi))于組織液中，進(jìn)而釋放IR820和p53 DNA于皮下腫瘤部位，提供了一種有前景的PTT-GT協(xié)同治療皮下腫瘤的策略。

圖14 負(fù)載p53 DNA/IR820 微針用于微針光熱-基因協(xié)同療法協(xié)同治療皮下腫瘤[86]Fig.14 Illustration of p53 DNA/IR820 MN patch and the synergetic combination of gene therapy and PTT to treat a subcutaneous tumor[86]

2.6.4微針免疫協(xié)同療法

Ye等[87]用1-甲基-DL-色氨酸(1-methyl-DL-tryptophan, 1-MT)修飾透明質(zhì)酸得到兩親結(jié)構(gòu)分子，通過自組裝將免疫檢查點(diǎn)抑制劑(aPD1)封包而構(gòu)建納米粒子，并由HA制備的可溶性微針負(fù)載透皮給藥協(xié)同治療黑色素瘤，如圖15所示。腫瘤部位過度表達(dá)的透明質(zhì)酸酶(hyaluronidase, HAase)會消化HA，進(jìn)而釋放 aPD1和1-MT。aPD1阻斷程序性死亡受體1(programmed cell death protein 1, PD-1)和程序性死亡受體-配體1(programmed death-ligand 1，PD-L1)之間的相互作用，從而恢復(fù)T細(xì)胞對腫瘤細(xì)胞的殺傷作用。此外， 1-MT作用于免疫調(diào)節(jié)酶吲哚胺2，3-雙加氧酶和色氨酸-2，3-雙加氧酶(indoleamine 2,3-dioxygenase and tryptophan-2, 3-dioxygenase, IDO / TDO)，阻斷其將色氨酸(tryptophan, Try)迅速轉(zhuǎn)化為犬尿氨酸(kynurenine, Kyn)，從而提高了T細(xì)胞殺傷腫瘤細(xì)胞的能力，達(dá)到協(xié)同治療腫瘤的效果。Yang等[88]也做過類似的研究工作，不同之處在于開發(fā)了一種由帶電殼和能夠形成氫鍵的親水核殼微針系統(tǒng)。免疫檢查點(diǎn)抑制劑aPD-L1通過強(qiáng)靜電相互作用，吸附在微針外殼，而1-MT存于微針內(nèi)核，如圖16所示。微針局部透皮給藥，避免了檢查點(diǎn)抑制劑的全身暴露而導(dǎo)致的脫靶效應(yīng)，也提高了生物利用率。盡管免疫治療在一部分臨床試驗(yàn)中取得很好的療效，但是其也可能帶來一些副作用，存在一些風(fēng)險(xiǎn)。

圖15 微針遞送給藥增強(qiáng)皮膚腫瘤部位的免疫反應(yīng)[87]Fig.15 Schematic illustration of the therapeutics delivery using microneedles and the enhanced immune responses at the skin tumor site [87]

圖16 負(fù)載aPD-L1和1-MT的微針免疫協(xié)同治療黑色素瘤[88]Fig.16 Schematic illustration of CSMN-assisted co-delivery of aPD-L1 and 1-MT for melanoma immunotherapy[88]

3 展望

綜上所述，微針透皮給藥操作簡易、微創(chuàng)無痛、精準(zhǔn)安全，在治療淺表腫瘤方面取得較好的療效。作為一種潛在的透皮給藥策略，微針可以與新興技術(shù)相結(jié)合，如光熱療法、光動力療法、基因療法、免疫療法、化學(xué)動力療法(chemodynamic therapy, CDT)[92-94]、離子干擾療法(ion interference therapy, IIT)[95]等，在腫瘤治療方面有著巨大前景。由于藥物在克服皮膚屏障后集中于淺層腫瘤組織，所以目前大多數(shù)研究集中于治療淺表腫瘤，然而微針腫瘤疫苗未來將可能成為對抗系統(tǒng)性遠(yuǎn)端癌癥最有效的手段[96]。

目前，微針臨床應(yīng)用取得一些進(jìn)展，但如何大規(guī)模批量、低成本地制造可溶(熔)微針仍是一個(gè)難題與挑戰(zhàn)。此外，微針刺穿皮膚可能因皮膚感染引發(fā)炎癥[97]，所以對于微針針體材料的選擇及微針的制造過程中如何消毒，其安全性能應(yīng)該盡早做系統(tǒng)性評估。同時(shí)，可溶性微針由于吸潮會引發(fā)其機(jī)械性能大大下降而不能刺入皮膚，所以如何長期有效儲存也是亟待解決的問題。