武漢大學(xué)藥學(xué)院黎威教授課題組：可穿戴式自供電微針貼片用于增強深部黑色素瘤治療

來源：摩方精密

黑色素瘤是一種與表皮層黑色素細胞密切相關(guān)的高度惡性皮膚癌,。經(jīng)皮遞藥是手術(shù)替代或者補充治療皮膚癌的有效方法,，它可使藥物能夠穿透皮膚屏障并直接作用于腫瘤部位,。然而，隨著黑色素瘤的進展,，表皮黑色素瘤細胞會持續(xù)浸潤真皮,，形成皮膚深部黑色素瘤。深部皮膚腫瘤的有效治療依賴于經(jīng)皮給藥系統(tǒng)中的增強藥物滲透,。雖然微針(MNs)和離子導(dǎo)入技術(shù)在經(jīng)皮給藥方面已展現(xiàn)出效率優(yōu)勢,，但皮膚彈性、角質(zhì)層的高電阻和外部電源要求等需求挑戰(zhàn),，仍然阻礙了它們治療深部腫瘤的有效性,。

基于此，武漢大學(xué)藥學(xué)院黎威教授和姜鵬副教授課題組設(shè)計開發(fā)了一種集成柔性摩擦電納米發(fā)電機(F-TENG)的可穿戴自供電載藥微針(MNs)貼片,，旨在增強深部黑色素瘤的治療,。微針由水溶性微針基質(zhì)材料與帶負電荷的pH響應(yīng)納米粒子(NPs)混合而成，其中納米粒子中裝載著治療藥物,。該裝置充分利用MNs和F-TENG的優(yōu)勢(F-TENG能夠利用個人機械運動產(chǎn)生電能),，治療性NPs可以在MNs貼片插入皮膚后滲透到深層部位，在酸性腫瘤組織中迅速釋放藥物,。在深部黑色素瘤小鼠模型對比實驗中,，使用集成的F-MNs貼片的治療效果優(yōu)于普通MNs貼片，預(yù)示這集成F-MNs貼片在深部腫瘤治療的巨大潛力,。

該貼片通過摩方精密microArch® S240（10μm精度）制備完成,，相關(guān)研究成果以題為“Enhancing Deep-Seated Melanoma Therapy through Wearable Self-Powered Microneedle Patch”的文章發(fā)表在《Advanced Materials》。武漢大學(xué)藥學(xué)院博士研究生王陳媛,、碩士研究生何光琴和博士研究生趙環(huán)環(huán)為共同第一作者,，武漢大學(xué)藥學(xué)院黎威教授和姜鵬副教授為共同通訊作者。

首先,，研究者采用氣體擴散法合成了具有pH響應(yīng)性質(zhì)的Ce6@CaCO3 NPs,， Ce6@CaCO3 NPs為100 nm左右均勻分布的球形結(jié)構(gòu)，表面修飾PEG進一步增強納米粒子的膠體穩(wěn)定性,。在pH = 7.4的中性環(huán)境中,，納米粒子維持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，使得封裝的藥物難以釋放,。在pH = 5.5的酸性環(huán)境中,，納米粒子結(jié)構(gòu)被破壞，可實現(xiàn)藥物的快速釋放（如圖1）,。

圖1 Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs的合成與表征a) Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs的合成和藥物釋放過程示意圖,。b)合成Ce6@CaCO3 NPs的TEM圖像,。c)游離Ce6、游離DOX和Ce6(DOX)@CaCO3-PEG的紫外可見光譜(藍色和黑色虛線矩形分別表示Ce6和DOX的特征吸收峰),。d) DLS測定的Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs的粒徑分布,。e) Ce6@CaCO3和Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs的Zeta電位。f) Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs在不同pH值(7.4,、6.5和5.5)的PBS中孵育0.5 h后的代表性TEM圖像,。g) Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs在不同pH值(7.4、6.5和5.5)的PBS中隨時間變化的水動力直徑變化,。Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs在不同pH值PBS中h) DOX或i) Ce6的體外釋放譜,。每個點代表平均值±SD (n = 3個獨立重復(fù)實驗)。***p < 0.001, ****p < 0.0001,。

隨后,，作者在細胞上驗證了納米粒子的抗腫瘤療效。藥物被納米粒子包封后顯著增強了細胞對藥物的攝取,。除此之外,，納米粒子結(jié)合Ce6的光動力和DOX的化療療效，實現(xiàn)了光動力和化療聯(lián)合治療的抗腫瘤療效,，其效果顯著優(yōu)于單一光動力或者化學(xué)療法（如圖2）,。

圖2 Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs的體外行為a) B16-F10細胞對Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs的攝取。b) Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs孵育4 h后細胞攝取量的定量測定c)激光照射下游離Ce6或Ce6@CaCO3-PEG孵育后B16-F10細胞的細胞活力,。兩種處理的Ce6濃度相當,。d)游離DOX或Ce6(DOX)@CaCO3-PEG孵育后B16-F10細胞的細胞活力,。兩種處理的DOX濃度相當,。e) 660 nm激光照射不同處理下B16-F10細胞內(nèi)ROS檢測。f)用Ce6@CaCO3-PEG或Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs處理B16-F10細胞在激光照射或不照射下的細胞活力,。g)不同處理后B16-F10細胞的活/死測定,。這些處理具有相同的DOX或Ce6濃度。綠色熒光:鈣素-AM;紅色熒光:碘化丙啶(PI),。每個點代表平均值±SD (n = 3個獨立重復(fù)實驗),。*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001. ns表示無顯著性。

同時,，研究者通過硅橡膠和導(dǎo)電織物制備了一種典型的接觸和分離模式的柔性摩擦電層F-TENG,，可以通過接觸通電和靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)將生物機械能轉(zhuǎn)化為交流電(AC)輸出。然而,，為了有效地為離子電泳系統(tǒng)供電,，交流輸出必須轉(zhuǎn)換成直流(DC)。因此,，作者制作了電源管理系統(tǒng)(PMS),，將F-TENG的交流轉(zhuǎn)換為直流,，同時顯著放大電流。最后將柔性的F-TENG與載藥微針結(jié)合,，制備成一種可穿戴的裝置（如圖3）,。

圖3 一種工作在接觸分離模式下的柔性TENG (F-TENG)。a) F-TENG的原理圖(左)和照片(右),。b) F-TENG工作機理示意圖,。c)短路電流，d)開路電壓,，e) F-TENG的轉(zhuǎn)移電荷,。f)連接整流橋和LED燈的F-TENG輸出電流。g)連接電源管理系統(tǒng)和LED燈的F-TENG輸出電流,。(f)和(g)中的插圖是15秒內(nèi)電流峰值的放大視圖和LED燈的光學(xué)照片,。h)手動驅(qū)動F-TENG連接到PMS的電流。i)可穿戴式F-MN貼片原理圖,�,？纱┐鞯腇-MN貼片j)貼在人體手臂上之前和k)貼在沒有皮膚穿刺的情況下的演示照片。

微針通過真空澆筑法,，將載藥的納米粒子與水溶性基質(zhì)PVA/suc混合后填入PDMS模具中制備得到,，并用導(dǎo)電的PPy作為微針背襯填入。制備好的微針與F-TENG通過導(dǎo)電膠連接得到F-MN裝置,。此外,，將偶聯(lián)FITC熒光的葡聚糖作為模型藥物被微針遞送到到皮膚后，通過熒光分布可以看出連接F-TENG的微針裝置具有更高效和深部的藥物遞送（如圖4）,。

圖4 F-MN貼片的制備與表征,。a) MN貼片制作工藝示意圖。b)制備的MN貼片的光學(xué)圖像和c) SEM圖像,。d) FITC -葡聚糖負載MN貼片的代表性明場(左)和熒光顯微鏡圖像(右),。e)右旋糖酐-MN貼片插入后大鼠皮膚代表性明場和熒光顯微鏡圖像。f)熒光圖像和g)植入或不植入F-TENG的大鼠皮膚后殘余MNs的相應(yīng)熒光強度(FI),。h)代表性顯微鏡圖像,，i)藥物穿透深度，j)外用葡聚糖溶液或葡聚糖-MN貼片加F-TENG或不加F-TENG后大鼠皮膚組織切片對應(yīng)的熒光強度,。每個點代表平均值±SD (n = 3個獨立重復(fù)實驗),。*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001. ns表示無顯著性。微針尺寸：高850 μm,，尖端直徑10 μm,，底座直徑400 μm.

而后，作者在小鼠體內(nèi)觀察F-TENG產(chǎn)生電流的能力以及在體內(nèi)藥物遞送的效果。將F-MN裝置應(yīng)用在小鼠腫瘤部位后,，F(xiàn)-TENG能夠?qū)⑦\動產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能,，在小鼠體內(nèi)維持恒定的電流，有效促進微針中負載的藥物向更深部的腫瘤滲透,，同時也提高了藥物在體內(nèi)的遞送效率和作用時間（如圖5）,。

圖5 F-MN裝置提高了體內(nèi)給藥效率。a)經(jīng)F-MN貼片處理的荷瘤小鼠照片,。(插圖:治療小鼠時,，MN貼片被連接。正極連接小鼠左前肢,，負極連接MN貼片),。b) F-MN貼片作用于腫瘤部位的示意圖。c)治療過程中通過MN貼片的電流,。d)不同處理小鼠給藥后24 h的熒光圖像,。紅色虛線圈表示腫瘤部位。e)不同處理的荷瘤小鼠及腫瘤部位照片,。f)代表性圖像,，g)相應(yīng)的藥物穿透深度，h)局部應(yīng)用NPs或MN貼片或f -MN貼片后腫瘤部位組織切片在體內(nèi)的相對熒光強度,。每個點代表平均值±SD (n = 3個獨立重復(fù)實驗),。*p < 0.05, ***p < 0.001, and ****p < 0.0001.

最后，作者探究了該裝置對體內(nèi)深部黑色素瘤的療效,，成功在C57BL/6小鼠體內(nèi)構(gòu)建了深部黑色素瘤模型,，并將其分為5組分別進行不同的處理。結(jié)果表明單次使用F-MNs貼片的治療表現(xiàn)出比單獨使用MNs貼片更優(yōu)越的治療效果,，能夠?qū)⒅形簧�存期由對照組的8天延長至21天,，表明該裝置在治療深部腫瘤具有很大的潛力。此外,，作者檢測了小鼠的血清生化指標,，并對其心肝脾肺腎進行HE染色切片,，從而進一步證明材料的安全性（如圖6和圖7）,。

圖6 F-MN貼片在B16-F10黑色素瘤小鼠中的抗腫瘤行為。a)處理過程示意圖,。b)不同腫瘤深度荷瘤小鼠的代表性超聲圖像和c)腫瘤組織的組織學(xué)切片,。d) (c)中的深度量化。e)五組不同處理小鼠的平均腫瘤生長曲線,。f)第9天各給藥組小鼠腫瘤重量,。g)第9天各組離體腫瘤形態(tài)。h)各組小鼠治療后體重。i)各治療組小鼠存活率曲線,。j)各組腫瘤組織切片H&E,、Ki67、TUNEL染色分析,。每個點代表平均值±SD (n = 5個獨立重復(fù)實驗),。*p < 0.05, ***p < 0.001, ****p < 0.0001.

圖7 F-MN貼劑的體內(nèi)生物安全性評價。a)各組主要器官切片H&E染色分析,。不同處理后小鼠血清生化指標b)丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶(ALT),、c)血尿素氮(BUN)、d)肌酐(CR),、e)總膽紅素(TBIL)各組全血中f)白細胞(WBC),， g)紅細胞(RBC)， h)血小板(PLT)的數(shù)量,。數(shù)據(jù)以mean±SD (n = 5個獨立重復(fù)實驗)表示,，ns表示無統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié)論：在這項研究中,，作者開發(fā)了一種與F-TENG集成的可穿戴自供電MN貼片,，并首次用于治療深部實體腫瘤。F-MN貼片能夠通過可溶解的納米顆粒將載藥的納米顆粒遞送到皮膚中,，并通過納米發(fā)電機將個人機械運動轉(zhuǎn)化為電能,，從而提供足夠的驅(qū)動力將治療性納米顆粒推進深部腫瘤，進而顯著提高藥物遞送穿透效率,。在到達酸性腫瘤位置后,，pH響應(yīng)性NPs表現(xiàn)出快速解離和釋放化學(xué)分子(DOX)和光敏劑(Ce6)，從而顯示出強大的協(xié)同根除腫瘤細胞的能力,。在小鼠深部黑色素瘤模型中,，單次給藥這種F-MN貼片能夠?qū)崿F(xiàn)明顯的腫瘤生長抑制。此外,，荷瘤小鼠的生存期明顯延長,，體內(nèi)生物安全性令人滿意，這表明了該貼片在臨床治療深部實體瘤方面具有很大的潛力,。這種有效的裝置具有出色的傳輸能力,，可以很輕松地將生物大分子或治療性NPs經(jīng)皮輸送到深部，將來也可局部或全身用于治療其他疾病,，如糖尿病,。

原文鏈接： https://doi.org/10.1002/adma.202311246