聚合物微針載藥系統(tǒng)研究進(jìn)展

陳怡，宋婷，陳雯琳，李海梁，盧愛(ài)玉，張峻穎

(中國(guó)藥科大學(xué)中藥制藥系，江蘇 南京 211198)

經(jīng)皮給藥是替代口服和注射的有效途徑，它不僅可以避免肝臟的首過(guò)效應(yīng)和藥物在胃腸道的降解，且給藥方便以利于患者的自我管理[1]。自上世紀(jì)70年代以來(lái)，F(xiàn)DA已批準(zhǔn)了多種透皮產(chǎn)品的上市，如Emsam、Daytrana、Secuado、Twirla等[2]，這表明了透皮制劑具有廣闊的研發(fā)前景。然而皮膚的屏障作用使得藥物遞送到體內(nèi)的劑量有限，因而提高藥物尤其是大分子藥物的經(jīng)皮遞送效率已成為研究的熱點(diǎn)。目前，研究人員已成功運(yùn)用了多種手段來(lái)提高藥物的經(jīng)皮滲透，如：離子電滲[3]、超聲導(dǎo)入[4]、電穿孔[5]、化學(xué)促滲[6]、納米制劑[7]、微針技術(shù)[8]等。微針(microneedle)是一種新型的透皮給藥制劑，其通過(guò)在皮膚表面形成微米級(jí)別的孔道，促進(jìn)藥物在體內(nèi)的遞送。目前微針載藥系統(tǒng)已應(yīng)用于疫苗、皮膚病、糖尿病、高血壓、眼科等領(lǐng)域，本文將主要從以上熱門(mén)研究領(lǐng)域綜述近些年的研究成果。

1 微針透皮給藥的原理

人體皮膚的總厚度為0.5～5 mm，主要分為3個(gè)不同的功能層：皮下組織，真皮層和表皮層(見(jiàn)圖1)[9]。其中角質(zhì)層(SC)是表皮層的淺表部分，其厚度約10 μm，為皮膚提供屏障功能[6]。SC由5到20層片狀結(jié)構(gòu)的角質(zhì)細(xì)胞組成，角質(zhì)細(xì)胞間充斥著脂質(zhì)，呈現(xiàn)“磚-泥結(jié)構(gòu)”，SC中角質(zhì)細(xì)胞的致密排布是影響藥物透過(guò)皮膚進(jìn)入體內(nèi)的主要影響因素。真皮層的厚度約為3～5 mm，主要由結(jié)締組織組成，皮下組織由脂肪細(xì)胞組成，充當(dāng)皮膚表皮和真皮層的支撐部分，藥物應(yīng)穿透所有三層才能達(dá)到全身循環(huán)。

圖1 皮膚的結(jié)構(gòu)示意圖

微針是經(jīng)微電子機(jī)械技術(shù)加工得到的微米級(jí)精細(xì)針狀結(jié)構(gòu)，針部長(zhǎng)度一般為25～1 000 μm，通常由金屬、玻璃、硅、聚合物等材料制備而成。微針通過(guò)在皮膚表面形成微米級(jí)別的孔道，使得大分子藥物(>500 Da)以最小的侵入方式透過(guò)角質(zhì)層的屏障，增加經(jīng)皮滲透效率，到達(dá)特定的深度發(fā)揮局部或者全身作用。

2 微針的分類(lèi)和特點(diǎn)

目前研究的微針主要如圖2，分別為實(shí)心微針、涂層微針、中空微針、可溶微針、快速分離微針和水凝膠微針。

2.1 實(shí)心微針 實(shí)心微針是由金屬、硅、玻璃等材質(zhì)制成，利用微針穿透角質(zhì)層形成可逆的微通道，隨后再配合藥液，乳膏或貼劑使用，這種方法顯著提高了藥物的被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。此方法的主要缺點(diǎn)是微通道開(kāi)放時(shí)間有限，有可能過(guò)早停止藥物的輸送[10]。

2.2 涂層微針 涂層微針是對(duì)固體微針的表面進(jìn)行涂層，涂層一般為藥物或疫苗[11]，該微針插入皮膚后藥物或疫苗從涂層表面擴(kuò)散到更深的表皮層。涂層微針也存在一些限制，如涂層載藥量較低；涂層的厚度會(huì)影響微針穿透皮膚的能力等。

2.3 中空微針 中空微針的作用與皮下注射制劑相似，在皮膚穿孔后，藥物溶液通過(guò)微針的中空結(jié)構(gòu)進(jìn)入體內(nèi)[12]。由于這些針頭的尺寸更短，因此患者對(duì)這種方法的接受程度高于傳統(tǒng)注射方法。但中空微針的制備復(fù)雜且昂貴。

2.4 可溶微針 可溶微針是利用水溶性或可生物降解的載體材料，將藥物包封于針部制成的微針[13]。與前幾種微針相比，它生物相容性好，藥物的釋放速率也可以通過(guò)改變微針的載體材料而調(diào)節(jié)，是目前研究的熱點(diǎn)。

2.5 快速分離微針 快速分離微針是一種新型微針，由載有藥物的水溶性針部與不溶性的聚合物背襯構(gòu)成[14]。其設(shè)計(jì)的意義是微針施加到皮膚表面后，針尖與背襯可以快速分離，在短時(shí)間內(nèi)可以去除背襯。

隨著微針技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)。例如在針尖和背襯之間的結(jié)構(gòu)中插入氣泡，使插入后的針尖可以輕松快速地從背襯結(jié)構(gòu)中分離，從而使針尖留在皮膚中釋放藥物[15]。Lopez-Ramirez等[16]制備了一種主動(dòng)分離的聚合物微針，裝載在微針貼片中的鎂微粒作為內(nèi)置引擎，與組織液接觸快速反應(yīng)生成H2，可實(shí)現(xiàn)更深更快的皮內(nèi)藥物的遞送。Li等[17]使用可生物降解材料制備了泡騰微針，該貼劑在背襯中加入了泡騰劑，在與皮膚接觸后針尖和背稱(chēng)層可以快速分離，以緩慢釋放左炔諾孕酮。

2.6 水凝膠微針 水凝膠微針在插入皮膚時(shí)，吸收皮膚組織液以形成連續(xù)的，不可阻塞的微通道，而藥物通過(guò)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的間隙進(jìn)入體內(nèi)，該方法不會(huì)在人體內(nèi)殘留針體材料[8]。但是其機(jī)械強(qiáng)度與溶脹率和溶脹速率之間的問(wèn)題影響了其實(shí)際的應(yīng)用[18]。

圖2 不同類(lèi)型的微針陣列[19]

3 聚合物微針載藥系統(tǒng)的應(yīng)用

目前聚合物微針的研究方向主要針對(duì)的是皮膚類(lèi)疾病，如黑色素瘤、糖尿病、疫苗、高血壓、關(guān)節(jié)炎等，其主要的施藥部位為皮膚，但隨著研究的更加深入，微針的研究部位也逐漸擴(kuò)大為眼部、口腔黏膜等。下文通過(guò)不同的給藥部位總結(jié)了聚合物微針近5年來(lái)的應(yīng)用研究。

3.1 經(jīng)皮給藥的聚合物微針載藥系統(tǒng)

3.1.1 免疫接種 皮膚是人體重要的屏障，具有高密度的抗原呈遞細(xì)胞和具有免疫活性的輔助細(xì)胞，可以調(diào)節(jié)先天免疫反應(yīng)[20]，長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為是疫苗遞送的高度免疫原性靶標(biāo)[21]。目前，市面上絕大多數(shù)疫苗采用皮下注射的方式進(jìn)行給藥，冷鏈儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本過(guò)高，患者依從性差。目前許多研究已表明微針是一種十分有潛力的接種方式。McCrudden等[22]以聚(甲基乙烯基醚-馬來(lái)酸)為載體材料制備了可溶微針，在鼠模型中遞送模型抗原卵清蛋白。結(jié)果表明，免疫球蛋白和細(xì)胞因子顯著增加，從而激活了體液和細(xì)胞反應(yīng)。Rouphael等[23]制備了可溶解的微針貼片用于流感疫苗接種，可產(chǎn)生強(qiáng)大的免疫反應(yīng)，已進(jìn)入臨床研究。Yan等[24]使用透明質(zhì)酸微針加載針對(duì)肺結(jié)核的Ag85B DNA疫苗在皮膚上進(jìn)行了免疫接種，結(jié)果表明免疫劑量低(4.2 μg)時(shí)，微針貼片(MNP)和注射(IM)免疫之間沒(méi)有顯著差異，但劑量較高(12.6 μg)時(shí)，MNP免疫比IM更好地引起抗體應(yīng)答。

微針也給新冠病毒候選疫苗提供一種全新的接種方式，Kim等[25]以羧甲基纖維素為載體材料制備了含有MERS-CoV-S1和SARS-CoV-S2疫苗的可溶微針，證實(shí)其能夠產(chǎn)生有效的抗原特異性IgG反應(yīng)，并且微針疫苗遞送產(chǎn)生的免疫應(yīng)答比傳統(tǒng)皮下注射產(chǎn)生的免疫應(yīng)答要強(qiáng)，此項(xiàng)研究為針對(duì)COVID-19和其他新興傳染病的微針蛋白亞基疫苗的臨床開(kāi)發(fā)提供了依據(jù)。

3.1.2 糖尿病治療 近些年胰島素微針的開(kāi)發(fā)也取得了巨大的進(jìn)展，多款中空胰島素微針也已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段[26]。Chen等[27]用γ-PGA為針部材料制備了胰島素微針，大鼠實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，負(fù)載胰島素的微針降血糖作用與常規(guī)皮下胰島素注射所觀察到的效果相當(dāng)，生物利用度高達(dá)90%～97%,且連續(xù)給藥血漿胰島素濃度曲線(xiàn)無(wú)明顯差異。顧臻團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了血糖響應(yīng)智能胰島素/胰高血糖素復(fù)合貼片,通過(guò)動(dòng)態(tài)釋放胰島素或胰高血糖素來(lái)模仿β細(xì)胞和α細(xì)胞對(duì)血糖控制的固有反調(diào)節(jié)作用，以“同時(shí)響應(yīng)”高血糖和低血糖情況[28]。Tong等[29]設(shè)計(jì)了將葡萄糖和H2O2反應(yīng)性聚合物囊泡與聚合物微針結(jié)合而成的雙反應(yīng)胰島素遞送裝置，與皮下注射或僅加載胰島素的微針相比，該微針表現(xiàn)出更有效的降血糖作用，這表明該胰島素傳遞系統(tǒng)對(duì)于糖尿病的治療具有重要的意義。

3.1.3 皮膚病治療 微針在皮膚病的治療及美容方面研究很多，目前針對(duì)的皮膚病主要有：瘢痕、皮膚惡性黑色素瘤、牛皮癬、色素性疾病、脫發(fā)等[30]。Fakhraei等[31]制備了戊二酸可溶微針(DMN-VPA)，并通過(guò)體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明DMN-VPA比局部VPA更有效地誘導(dǎo)頭發(fā)再生。Huang等[32]制備的水凝膠微針同時(shí)加載阿霉素和曲美替尼，在B16細(xì)胞異種移植裸鼠模型中實(shí)現(xiàn)了協(xié)同作用。Zhao等[33]使用尖端加載5-氨基乙酰丙酸(ALA)的快速溶解微針與光動(dòng)力療法(PDT)結(jié)合，在皮下小鼠腫瘤模型中，證實(shí)ALA微針組的PDT療效遠(yuǎn)高于注射組。另外，Du等[34]制備了氨甲蝶啶(MTX)可溶微針來(lái)治療牛皮癬，從皮膚厚度和Ki67表達(dá)水平上可知，MTX微針比口服MTX更為有效。Lin等[35]用HP-β-CD和HA的復(fù)合材料制備了曲安奈德的可溶微針，以新西蘭兔耳朵為模型，使用微針后瘢痕升高指數(shù)值降低，正常值降低，膠原I的mRNA表達(dá)下降，TGF-β1下降。

3.1.4 診斷治療 聚合物微針具有吸收皮膚組織液(ISF)的出色能力，其在刺穿皮膚時(shí)，吸收ISF獲得機(jī)械強(qiáng)度以承受刺穿壓力。ISF可用作生物標(biāo)志物的來(lái)源，使聚合物微針成為一種微創(chuàng)的診斷方法[36]。Chang等[37]用交聯(lián)化甲基丙烯酸透明質(zhì)酸制成微針貼片可在短時(shí)間內(nèi)提取出足夠的ISF，大大促進(jìn)了及時(shí)的代謝分析。He等[38]用PVA和殼聚糖制成水凝膠微針貼片提取ISF以監(jiān)測(cè)血糖，展示了微針的另一潛在用途。

3.2 非經(jīng)皮給藥的聚合物微針載藥系統(tǒng)

3.2.1 眼部給藥 很多眼部疾病如青光眼、白內(nèi)障、黃斑病變、糖尿病視網(wǎng)膜疾病等都有很大的失明風(fēng)險(xiǎn)，一般往眼睛區(qū)域內(nèi)進(jìn)行藥物注射治療。其主要的缺點(diǎn)是依從性差，生物利用度也較低[39]。目前，可溶解聚合物微針的眼部給藥是一種新的治療趨勢(shì)。Bhatnagar等[40]成功地使用貝西沙星的PVP/PVA微針治療角膜和眼內(nèi)的細(xì)菌感染。Than等[41]設(shè)計(jì)了一種可拆卸微針眼罩，這些微針可以穿透眼組織，雙層載藥結(jié)構(gòu)大大增強(qiáng)了治療功效，使用角膜新生血管形成作為疾病模型，實(shí)驗(yàn)表明該微針使新生血管面積減少約90%。

3.2.2 口腔黏膜給藥 口腔是黏膜疫苗接種的十分有潛力的途徑，口腔包含豐富的淋巴組織，其pH值比胃腸道更溫和，有利于對(duì)生物制劑有效成分的保護(hù)。研究表明[42]，口腔黏膜疫苗遞送可引起與肌肉內(nèi)疫苗相當(dāng)?shù)娜硇泽w液和細(xì)胞免疫應(yīng)答，并增強(qiáng)局部和在遠(yuǎn)端部位如鼻腔和女性生殖道的粘膜抗體應(yīng)答水平。Wang等[43]通過(guò)乳化凍干法制備了甘露糖-PEG-膽固醇共軛物和負(fù)載HBsAg的脂質(zhì)A雙重修飾脂質(zhì)體(MLL)，并成功地構(gòu)建HBsAg-MLL微針陣列(proHMA)，結(jié)果表明經(jīng)由口腔黏膜給予小鼠的proHMAs引起強(qiáng)烈的全身/黏膜反應(yīng)。此外，微針還可以進(jìn)行口腔局部治療，如SEON-WOO等[44]使用HPMC和Carbopol 971為載體材料加載曲安奈德制備了可溶微針治療口腔黏膜炎，證實(shí)微針貼劑比普通口腔粘膜制劑粘附力更強(qiáng)，遞送藥物效率更高。

4 展望

聚合物微針由于其生物相容性好、機(jī)械強(qiáng)度高、患者依從性好、經(jīng)皮遞送效率高等諸多優(yōu)勢(shì)在藥物遞送領(lǐng)域具有巨大的潛力，其未來(lái)在兒科用藥的開(kāi)發(fā)中也具有很大的前景。然而其存在的一些問(wèn)題對(duì)其實(shí)際應(yīng)用也提出了重大挑戰(zhàn)：如載藥能力不足；或載藥量大時(shí)其機(jī)械強(qiáng)度降低；微針幾何形狀也極易發(fā)生斷裂或變形等。我們相信，隨著對(duì)微針遞藥系統(tǒng)的進(jìn)一步研究，人們可以逐漸克服這些挑戰(zhàn)，聚合物微針或許將來(lái)可成為首選的經(jīng)皮遞送途徑。