局部用药对于皮肤、粘膜或内脏疾病的治疗很重要。然而，在保证体液黏附的同时，穿透表面障碍以提供充分和可控的药物输送仍然具有挑战性。在这里，受蓝环章鱼的捕食行为启发，浙江大学贺永、顾臻&四川大学华西口腔医学院万乾炳合作改进局部用药的策略。为了有效地给药，活性注射微针的制备受到蓝环章鱼牙齿和毒液分泌的启发。这些微针具有温度敏感型疏水和收缩变化引导的按需释放功能，可以在早期提供足够的药物输送，然后实现长期释放阶段。同时，开发了仿生吸盘，以帮助微针在潮湿时牢固地保持在适当的位置(>10千帕卡)。这种微针贴片具有湿粘合能力和多种给药方式，取得了令人满意的疗效，如加速溃疡愈合速度或阻止早期肿瘤进展。该研究以题为“Blue-ringed octopus-inspired microneedle patch for robust tissue surface adhesion and active injection drug delivery”的论文发表在《Science Advances》上。
蓝环章鱼以其精致的外表和致命的毒性而闻名，它能在潮湿的环境中牢牢抓住猎物并将其带到嘴里，咬穿猎物的壳并通过喷出毒液杀死它。在这里，灵感来自于蓝环章鱼的捕食行为，一种具有可控药物传递能力的湿粘合微针贴片，丝素-普朗尼克F127(Silk-Fp)-聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)，以实现组织表面黏附和有效的局部给药。具体地说，基于普朗尼克 F127(F127)的水凝胶吸盘是在Silk-Fp上制造的，以提供湿粘合功能。吸盘的内壁由单宁酸(TA)修饰，提供生物相容的化学结合。此外，柔性杯状结构不仅可以由于气压差而实现物理粘合，还可以保护内部化学粘合界面免受液体环境的影响。因此，Silk-Fp贴片依靠物理/化学关节粘合能力，可以抵抗湿组织，并保持稳定数天。此外，在Silk-Fp贴片上设计了含有丝素蛋白(SF)和PNIPAM的可控释药水凝胶微针(MNs)，以实现有效的腔内给药。将抗炎药物地塞米松磷酸钠(DEX)或经典抗癌药物5-氟尿嘧啶(5-FU)负载到其中，这些复合水凝胶微针(Silk-Fp MNs)被用于治疗口腔溃疡或早期浅表肿瘤。Silk-Fp MNs可穿透组织表面的粘膜层或软屏障，依次激活快速起效和长期维持治疗两种给药模式。简而言之，仿生Silk-Fp贴片具有稳定的湿性粘附性和可控的腔内给药功能，能够通过地塞米松的释放提高口腔溃疡的愈合速度，或者在加载5-FU时几乎完全阻止肿瘤的生长。
图1. 蓝环章鱼启发的药物输送贴片
【Silk-Fp水凝胶微针的结构与功能】
为了构建仿生载药MNs，通过三维(3D)打印制作了形状稳定的树脂MN模型，然后创建了聚二甲基硅氧烷(PDMS)副本以获得中间模具。为了确保快速稳定的固化过程，合成了甲基丙烯酰化丝素蛋白(SilMA)和F127(F127DA)。将这些SilMA、F127DA和PNIPAM水凝胶组合并倒入PDMS模具中，在光固化下获得丝绸微针(Silk MN)、Silk-Fp MN和热响应性Silk-Fp MN。
对于药物的控制释放行为，Silk-Fp MN可以主动挤出内部液体，当感知到环境温度超过较低临界溶液温度(LCST)时，显示出不同的光泽。此外，PNIPAM的加入赋予了SF体系的热响应功能，随着温度的升高(20°C到37°C)，SF体系的粘度增加了约10倍。加热前后凝胶的亲水性变化进一步证实了Silk-Fp MN的温度-机械响应性。PNIPAM的加入还提高了水凝胶MN系统的可靠性，包括机械强度和抗膨胀性。因此，Silk-Fp MN有两种释放行为：取决于温度诱导的短期注射阶段和取决于水凝胶渗透性的长期缓释。然后，将地塞米松和5-FU依次添加到Silk-Fp MN中，并显示出相似的释放动力学，包括Silk-Fp在放置在体温环境中后2小时内主动反应提供足够的药物释放(释放量是其他组的两到三倍)。然后，Silk-Fp在接下来的2天内逐渐转为缓释模式，提供稳定的长期治疗。
图2.Silk-Fp MN的表征
【Silk-Fp MN内部运行机制】
采用全原子分子动力学(AAMD)模拟方法研究Silk-Fp MN内聚合物在温度响应过程前后的相互作用，明确Silk-Fp MN基团主动注射释药的微观机理。当温度超过LCST时，PNIPAM和水在体系中的结合大大减弱，并可能与自身产生氢键。此外，PNIPAM的加入导致形成具有更规则的二级结构的SF体系，增加了整个MN体系的机械强度,并可响应温度的升高而减少与水分子的结合，从而与其自身或其他PNIPAM分子链紧密结合，从而收缩整个水凝胶体系并挤出含药的水溶液。
图3. Silk-Fp MN的分子模拟
【完整的Silk-Fp贴片构建和粘合剂检测】
还使用间接3D打印技术制备了完整的Silk-Fp贴片。简单地说，模仿蓝环章鱼的触角来设计带有吸盘的系统的底层，然后将仿生MNs集成到其中心。贴片的高度和大小的设计主要是为了确保MN-输送药物和吸盘同时粘合到组织上的顺利完成。然后，将完整的中间模型复制到PDMS中，用Silk-Fp复合水凝胶MNs、光固化聚己内酯[甲基丙烯酸聚己内酯三醇(PCLMA)]和F127DA水凝胶倒入并固化。然后，用TA改变每个吸盘的内表面，以赋予界面粘附性。
并对吸盘的粘接机理进行了初步探讨。F127DA-TA(粘附层的成分)能吸附和附着液体中的大量粘蛋白，形成微球。此外，随着反应时间的延长，粘蛋白在F127DA-TA上的吸附量会增加，表现为微球粒径逐渐增大，Zeta电位降低。此外，除了氢键吸附，F127DA-TA还可能与蛋白质的氨基或硫醇基团反应形成共价键。TA型吸盘的粘接机理可归结为三部分：负压吸附、蛋白质吸附和粘液与粘附层之间的相互扩散。此外，吸盘的边缘形状也会因为粘接强度的不同而影响粘接效果，耐液体侵蚀和操作的方便性，说明本研究选用的内斜面边缘结构综合性能最好。
图4.完整的Silk-Fp贴片及其粘合能力
【Silk-Fp贴剂疗法的体外模拟】
Silk-Fp MN和Silk-F MN能有效地穿过模拟层，其形态基本稳定，但由于机械强度较低，Silk-Fp MN的尖端丢失。此外，所有未加载药物的贴片组均不影响正常的黏附和增殖。此外，各MN组材料的降解产物也被证明是无毒的。Silk-Fp贴片能最迅速、最有效地降低人单核巨噬细胞的炎症反应行为，包括肿瘤坏死因子、白细胞介素6(IL-6)和白细胞介素1β(IL-1β)的降低。值得一提的是，Silk-Fp还典型地对巨噬细胞产生免疫调节影响，表现出远离促炎性类型分化的行为。对早期黑色素瘤(A375)的体外治疗模拟结构类似于抗炎。这归因于Silk-Fp MNs通过粘液层主动转移药物的事实。在治疗开始时，足够剂量的5-FU可以迅速中断A375细胞的增殖，在接下来的2天内维持治疗确保了疗效，产生了最有效的肿瘤杀伤作用和复制终止效应。
图5.Silk-Fp贴片疗法的体外模拟
【智能穿戴与生物安全评估】
考虑到MNs在生物电传感方面的潜在优势，将Silk-Fp和Silk-Fp平板贴片涂覆一层纳米银层，以创建一种智能可穿戴设备。载银Silk-Fp的感知能力也高于Silk-Fp平板贴片并能够比其更准确地显示闭嘴运动的各个阶段。此外，Silk-Fp贴片可以更详细地感知和传输活体大鼠心脏和大脑的电信号。将不同的非药物Silk-Fp贴片植入大鼠背部，评价其生物安全性。与手术对照组相似，植入Silk-Fp贴片的组大鼠的生长没有受到任何负面影响，并显示出一致的体重增长趋势。此外，材料埋藏区域的周围组织在3周后仍保持良好的健康。同时，在长期观察过程中，未观察到大鼠主要脏器的病理损害。
图6.完整的Silk-Fp贴片及其粘合能力
【Silk-Fp贴剂治疗口腔溃疡的疗效观察】
为了评价Silk-F和Silk-Fp的治疗效果，用等量的地塞米松贴片治疗口腔溃疡。完整的仿生贴片可以提供更长时间的维持治疗。仿生贴片将显著减小溃疡面积。与Silk-FP平板组相比，整个愈合过程缩短了约25%，而且没有准确的药物输送。此外，用溃疡组织切片显示口腔粘膜的恢复状态。虽然Silk-F补片也能恢复粘膜角化层，但粘膜的完整性不如Silk-Fp组。尤其是角化层的主体和基底层在完全Silk-Fp仿生贴片处理后迅速恢复。相比之下，空白组有明显的角质层缺陷。在炎症控制方面，第8天，贴剂治疗的溃疡区炎症得到有效控制，Silk-Fp组炎症反应最轻。
图7.使用Silk-Fp贴片治疗口腔溃疡
【Silk-Fp贴剂治疗早期黑色素瘤的疗效】
本研究采用裸鼠背部皮下接种黑色素瘤细胞7天(−7~0天)的方法建立黑色素瘤动物模型。肿瘤定植成功后，应用Silk-Fp和Silk-F贴片治疗肿瘤，并持续测量裸鼠的体重和肿瘤大小。Silk-Fp MN有效地突破了肿瘤表面松散的屏障，将药物输送到柔软的肿瘤体内，并导致细胞死亡。Silk-Fp或Silk-F贴片的应用不影响裸鼠的体重但不同程度地抑制肿瘤生长。特别是，Silk-Fp贴片有效地抑制了早期肿瘤的生长，并在一定程度上调节了肿瘤的生长。相比之下，Silk-F组被观察到有适度的抗肿瘤作用，但未能控制黑色素瘤的晚期生长。在治疗的5到10天内，Silk-F贴片治疗的肿瘤再次开始增殖，而Silk-Fp贴片治疗的肿瘤生长仍然受到抑制。在最后的测量中，使用Silk-Fp贴片治疗的肿瘤大小明显小于其他组。此外，Silk-Fp贴片治疗的肿瘤明显解体并伴有坏死，这是因为肿瘤细胞的凋亡和增殖抑制增加。
图8. Silk-Fp贴片治疗早期黑色素瘤
【小结】
在这项研究中，受蓝环章鱼牙齿的启发，开发了通过粘液屏障给药的水凝胶MNs。这些MNs足够坚固，足以穿透软组织或粘液屏障。复合策略有效地增强了MNs的强度，这不仅归因于光交联后水凝胶体系中分子网络密度的增加，也归因于蛋白质二级结构水平上各组分的联合作用。特别是，PNIPAM的加入赋予SF更坚实的β片状结构，并降低其弱的、不规则的Coli结构的比例。因此，Silk-Fp MNs具有可靠的穿透能力，可以直接将药物输送到靶区，与未分化的渗透给药方法相比，这对于促进治疗效果至关重要。因此，Silk-Fp MNs可以快速丰富靶点的药物输送，以在早期干预疾病，包括更快地抑制细胞炎症分化或肿瘤增殖。此外，注射后的Silk-FP MNs不会完全亲水，具有更高的抗膨胀性，这使得水凝胶体系获得了更稳定的缓释能力。这有助于Silk-Fp MN提供更稳定的药物供应，以在一定程度上保持治疗效果。此外，还设计了一种物理化学协同结合模式，以满足组织表面的黏附要求。特别是，酚羟基被用来将贴片牢固地结合到组织蛋白上。然后，设计了吸盘结构，以抵抗组织之间的相互摩擦或体液冲洗，提供负压密封并保护粘接界面。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh2213
来源：BioMed科技
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