基于葡萄糖响应性微针的胰岛素透皮给药系统研究进展

开发一种能够自我调节剂量的微创胰岛素给药系统，可以说是糖尿病研究领域的圣杯。能够根据患者的血糖水平释放不同剂量胰岛素的给药系统，将极大地提高糖尿病患者的生活质量，使患者无需频繁地进行指尖采血检测，并且能够在降低低血糖风险的情况下，帮助患者更好地控制血糖水平。

据麦姆斯咨询介绍，近期，来自西班牙瓦伦西亚大学（University of Valencia）等机构的研究人员在International Journal of Biological Macromolecules期刊上发表题为“Latest advances in glucose-responsive microneedle-based systems for transdermal insulin delivery”的综述性文章，总结了基于葡萄糖响应性微针（MN）的胰岛素透皮给药系统的最新进展，并对其给药机制和临床转化过程中面临的挑战进行了全面分析。此外，该综述全面讨论了使用不同类型的葡萄糖触发释药系统进行临床前研究的结果。总体而言，从给药机制和临床转化角度进行的分析将为基于葡萄糖响应性微针的胰岛素给药系统这一研究热点的未来发展方向提供理论依据和指导。

迄今为止，科研人员已开发出两大类葡萄糖响应性微针系统，即基于葡萄糖氧化酶的微针系统和基于苯硼酸的微针系统。

基于葡萄糖氧化酶的微针系统

葡萄糖氧化酶是基于智能微针的胰岛素透皮给药系统方案中使用最广泛的葡萄糖传感材料之一。葡萄糖氧化酶是一种可以将葡萄糖氧化催化成葡萄糖酸和过氧化氢（H₂O₂）的酶。这一过程中的耗氧量会造成局部缺氧环境，可利用这一特性触发胰岛素给药，以应对高血糖。葡萄糖氧化过程中产生的H₂O₂也可以用于触发胰岛素从微针中释放。最后，葡萄糖酸的形成会导致局部pH值降低，通过在透皮给药系统中加入pH值敏感材料，也可以利用pH值降低来诱导胰岛素释放。因此，基于葡萄糖氧化酶的智能胰岛素透皮给药系统需要加入刺激响应性材料（对缺氧、H₂O₂或pH值），以实现葡萄糖响应性胰岛素释放。

葡萄糖氧化酶催化的葡萄糖氧化和葡萄糖响应性胰岛素释放的独特刺激触发机制示意图

基于苯硼酸的微针系统

目前，科研人员已经开发出基于苯硼酸的葡萄糖响应性微针贴片，以作为基于葡萄糖氧化酶的葡萄糖响应性微针贴片的替代品。苯硼酸是一种合成分子，由于其路易斯酸（Lewis acid）特性，它可以与葡萄糖等具有顺式-1,2或顺式-1,3二醇结构的化合物可逆地形成酯类物质，因此可以用作葡萄糖传感器。在水介质中，苯硼酸以不带电的三面体结构和带负电荷的四面体硼酸盐结构平衡存在。尽管这两种构型都能够与葡萄糖可逆结合并形成环状苯硼酸复合物，但带负电荷的硼酸盐结构的结合亲和力要高得多。

因此，鉴于苯硼酸的pKa较高（8.6），在生理pH值（7.4）下，平衡主要偏向不带电的形式，从而导致葡萄糖响应性较低。因此，为了提高葡萄糖在生理pH值下的响应性，需要对葡萄糖响应性微针中的苯硼酸进行化学修饰，使其更具酸性，最终降低其pKa。为此，可以在苯硼酸的芳香环中引入吸电子基团（即卤素、硝基或羧基基团）和能够形成分子内配位键的正交取代基团（即在硼（B）与氮（N）或硼（B）与氧（O）之间）。迄今为止，已开发出的苯硼酸基微针系统的智能胰岛素给药机制包括电荷转换触发的溶胀、葡萄糖竞争性置换和交联解离。

基于苯硼酸的葡萄糖响应性胰岛素给药机制示意图

总体而言，葡萄糖响应性微针贴片在胰岛素替代疗法中具有很高的临床转化潜力。目前，科研人员已经成功地在啮齿类动物和猪动物模型中对其进行了临床前测试。然而，由于物种间的差异，这些系统的葡萄糖响应性仍需要在人体中进行进一步的研究。目前，用于胰岛素透皮给药的葡萄糖响应性微针系统还在不断开发和改进中，以提高其葡萄糖响应性，并改善其生物相容性。总而言之，自我调节胰岛素透皮系统的开发将是胰岛素替代疗法领域的一个前所未有的突破，本文介绍和分析的最新研究进展为推动该领域的发展奠定了基石，并为按需葡萄糖调节胰岛素透皮给药系统的开发开辟了令人兴奋的新途径。