PNAS：让糖尿病患者摆脱胰岛素注射痛苦的智能贴片

最近，美国北卡罗来纳大学（UC）和北卡罗来纳州立大学（UC State）的研究人员的一项新发明，可能使众多糖尿病患者摆脱痛苦的胰岛素注射，他们研制出第一个“智能胰岛素贴片”，可以检测血糖水平的增加，并在需要的时候分泌适当剂量的胰岛素进入血液。

这种贴片是一种方形的薄片，不到一个便士的大小，每一片都覆盖有一百多个微小的针，大约一根睫毛的大小。这些“微针”填充着微小的胰岛素和葡萄糖传感酶存储单元，当血糖水平太高时，可快速释放它们的货物。

这项研究发表在六月二十二日的《美国国家科学院院刊》（PNAS），发现这种新的、无痛的贴片，可使1型糖尿病小鼠模型的血糖降低长达九小时的时间。在将这种贴片用于人类患者之前，还需要更多的临床前试验和后续的人体临床试验，但是该方法仍然显示出巨大的潜力。

本文共同资深作者、UNC/NC State生物医学工程系教授顾臻（Zhen Gu）指出：“我们设计了一种用于糖尿病的贴片，它们可快速起作用，易于使用，并且是由无毒、生物相容性的材料制成。整个系统可以个性化，可根据糖尿病患者的体重和胰岛素敏感性，因此我们可以让智能贴片更聪明。”

糖尿病影响着全球超过3.87亿人，而这个数字有望在2035年增长到5.92亿。1型和晚期2型糖尿病患者，要控制血糖水平，就要定期扎伤手指，并反复注射胰岛素，这一过程是痛苦的，而且是不精确的。本文共同资深作者、UNC糖尿病护理中心主任John Buse说：“注射错误剂量的药物，可能导致重大并发症，如失明和截肢，甚至更多灾难性的后果，如糖尿病性昏睡和死亡。”

研究人员一直试图通过制造某种直接连接血糖跟踪设备和胰岛素管理设备的“闭环系统”，来消除人为误差的可能性。然而，这些方法涉及到机械感应器和泵，具有针尖导管，其必须停留在皮肤下，每隔几天就要更换。

顾臻和他的同事，不是发明另外一个完全人工的系统，而是选择模拟人体的天然胰岛素生成器，称为β细胞。这些多功能的细胞可作为工厂和仓库，并在微小的囊状结构（称为囊泡）中生产和储存胰岛素。它们的行为也像警报信号中心，检测血糖水平升高，并发信号释放胰岛素到血液中。

本文第一作者、顾臻实验室博士研究生Jiching Yu称，他们用两种自然界很容易发现的材料，构建了人工囊泡，来执行这些相同的功能。第一种材料是透明质酸或HA，一种天然物质，是许多化妆品的成分。其次是二硝基咪唑或NI，常用于诊断的一种有机化合物。研究人员把这两种材料连接，生成一种新的分子，一端是亲水性的，另一端是疏水性的。这些分子的混合物自组装成一个囊泡，就像水中凝聚的油滴，疏水端向内，亲水端向外。

结果产生了数以百万计个气泡状结构，每个气泡比人类头发宽度小100倍。研究人员往这些囊泡中的每一个当中，插入胰岛素和专门设计来检测葡萄糖的酶。

在实验室实验中，当血糖水平升高时，过多的葡萄糖会涌入人工气泡。然后，这些酶将葡萄糖转化为葡萄糖酸，一直都在消耗氧气。结果缺氧或“低氧”会使疏水的NI分子变成亲水性，从而导致囊泡迅速崩溃，并把胰岛素送入血液。

一旦研究人员设计出这些“智能胰岛素纳米粒”之后，他们就必须想出一个办法，将它们施用在糖尿病患者身上。他们不是依靠以前饱受批评的大针或导管方法，而是决定将这些糖敏感、胰岛素释放材料的球体，合并到一个微针阵列当中。

顾臻及其同事，使用相同的透明质酸（是纳米颗粒的一种主要成分）制造了这些“微针”，只是以一种更坚硬的形式，这样小针才足够硬，能刺破皮肤。他们在一片薄的硅钢带上安排了一百多个微针，看起来就像一个小的、无痛版的钉床。当这个贴片被放置在皮肤上后，微针可穿透皮肤表面，通过下面的毛细血管进入血液。

研究人员在1型糖尿病小鼠模型中，测试了这种方法控制血糖水平的能力。他们给一组小鼠进行标准的胰岛素注射，并测定血糖水平，其下降到正常，但很快就回升到高血糖范围。相反，当研究人员用微针贴片处理另一组小鼠时，他们发现血糖水平在三十分钟以内被控制住，并维持了好几个小时。

此外，研究人员发现，他们可以通过改变包含在每个微针的酶剂量，调节这个贴片，改变血液中的葡萄糖水平只能在一定范围内。他们还发现，这种贴片不会造成注射胰岛素一样的危害。当执行地太频繁时，胰岛素注射可以使血糖下降到危险的低水平。

Buse表示：“糖尿病护理中最难的部分不是注射胰岛素，或血糖检查，或饮食，但事实上，你必须每天进行好几次。如果我们能把这些贴片用于人类患者，这将是一个变革。”

因为相比较人类来说，小鼠对胰岛素不敏感，所以研究人员认为，当用于真正的人类患者时，这种贴片的血糖稳定作用，可能会持续更长时间。顾臻说，他们的最终目标是，开发一种智能胰岛素贴片，患者只需每隔几天更换一次即可。

原文摘要：

Microneedle-array patches loaded with hypoxia-sensitive vesicles provide fast glucose-responsive insulin delivery

Abstract: A glucose-responsive “closed-loop” insulin delivery system mimicking the function of pancreatic cells has tremendous potential to improve quality of life and health in diabetics. Here, we report a novel glucose-responsive insulin delivery device using a painless microneedle-array patch (“smart insulin patch”) containing glucose-responsive vesicles (GRVs; with an average diameter of 118 nm), which are loaded with insulin and glucose oxidase (GOx) enzyme. The GRVs are self-assembled from hypoxia-sensitive hyaluronic acid (HS-HA) conjugated with 2-nitroimidazole (NI), a hydrophobic component that can be converted to hydrophilic 2-aminoimidazoles through bioreduction under hypoxic conditions. The local hypoxic microenvironment caused by the enzymatic oxidation of glucose in the hyperglycemic state promotes the reduction of HS-HA, which rapidly triggers the dissociation of vesicles and subsequent release of insulin. The smart insulin patch effectively regulated the blood glucose in a mouse model of chemically induced type 1 diabetes. The described work is the first demonstration, to our knowledge, of a synthetic glucose-responsive device using a hypoxia trigger for regulation of insulin release. The faster responsiveness of this approach holds promise in avoiding hyperglycemia and hypoglycemia if translated for human therapy.

来源：冷泉港实验室