縱觀人類藥物治療的歷史，口服給藥因其操作要求低、患者依從性高而一直是優(yōu)先的給藥途徑。然而，大多數(shù)生物藥物（肽、蛋白質(zhì)、核酸和抗體）一旦暴露在嚴(yán)酷的胃腸道生化微環(huán)境中就很容易失活，并且由于胃腸道的保守吸收選擇性，藥物無(wú)法通過(guò)粘液或細(xì)胞層轉(zhuǎn)運(yùn)。因此，生物制劑藥物的口服可用性有限（約為 1%），必須進(jìn)行腸外注射，這不可避免地會(huì)引起疼痛和皮膚感染，往往導(dǎo)致患者依從性差，尤其是慢性病患者不得不經(jīng)常進(jìn)行治療性注射。雖然目前的口服給藥技術(shù)，如粘液粘附貼片、常駐水凝膠、微裝置和基于顆粒的平臺(tái)等已在公開文獻(xiàn)中被提出，以提高生物藥物的局部濃度并延長(zhǎng)釋放期，但其生理障礙仍然存在，臨床療效仍有待驗(yàn)證。如何克服生物藥物口服給藥的困境并提高患者的依從性仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

受到刺豚（porcupinefish）自我膨脹和展開刺進(jìn)行防御的能力的啟發(fā)，來(lái)自清華大學(xué)的張明君和徐靜團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種腸道微針機(jī)器人，其設(shè)計(jì)目的是吸收腸液進(jìn)行快速膨脹，并將裝載藥物的微針注入無(wú)知覺(jué)的腸壁進(jìn)行給藥。達(dá)到平衡體積后，微針機(jī)器人會(huì)利用有節(jié)奏的蠕動(dòng)收縮來(lái)穿透粘膜。然后，機(jī)器人的倒鉤微針可在蠕動(dòng)松弛時(shí)脫離本體，保留在粘膜中以釋放藥物。由 14 只小豬參與的大量體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了腸道蠕動(dòng)對(duì)微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的有效性，并證明了與皮下注射相當(dāng)?shù)囊葝u素輸送效果。可攝取的蠕動(dòng)微針機(jī)器人可能會(huì)改變目前主要依賴腸外注射的生物藥物口服給藥方式。相關(guān)工作以題為“Pain-free oral delivery of biologic drugs using intestinal peristalsis–actuated microneedle robots"的文章發(fā)表在2024年1月5日的國(guó)際頂級(jí)期刊《Science Advances》。

1. 創(chuàng)新型研究?jī)?nèi)容

在自然界中，六斑刺鲀（Diodon holocanthus）在受到威脅時(shí)會(huì)通過(guò)吸水迅速膨脹。在這一過(guò)程中，刺豚身體上的硬刺和錐形刺會(huì)豎立起來(lái)，增大體型，并在被吞食時(shí)刺傷敵人（圖 1A 和 B）。可以想象，由刺豚啟發(fā)的可膨脹微針裝置可以迅速膨脹體積，向腸壁伸出裝載藥物的微針，利用腸蠕動(dòng)時(shí)的蠕動(dòng)力穿透腸粘液層，輸送生物藥物。同時(shí)，某些刺類生物的刺上長(zhǎng)有突出的倒鉤，以增強(qiáng)穿透后對(duì)組織的粘附力。這種機(jī)制會(huì)產(chǎn)生一種帶倒鉤的微針結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以從微針裝置中分離出來(lái)，并保留在組織中，從而實(shí)現(xiàn)藥物輸送和持續(xù)釋放。

本研究設(shè)計(jì)了一種受刺豚啟發(fā)的腸道蠕動(dòng)微針機(jī)器人，以協(xié)助生物藥物的艱苦口服給藥（圖 1A 和 B）。為了打破藥物吸收障礙，本研究設(shè)計(jì)了微針機(jī)器人，使其在腸液中膨脹成一個(gè)大的刺囊，并在蠕動(dòng)收縮時(shí)將微針注入粘膜（圖 1F）。微針上裝有裝載藥物的鉤刺，鉤刺可在蠕動(dòng)松弛時(shí)從微機(jī)器人本體分離并串入粘膜以釋放藥物。與已報(bào)道的彈簧/氣球發(fā)射或場(chǎng)控驅(qū)動(dòng)機(jī)制不同，本研究提出的微機(jī)器人裝置通過(guò)質(zhì)量傳輸（吸收腸液）和固有腸蠕動(dòng)發(fā)揮作用，無(wú)需預(yù)置能量或?qū)崟r(shí)外部能量輸入，即可將藥物送入管壁。微針機(jī)器人（圖 1F）主要由三部分組成：(i) 負(fù)載藥物的倒鉤微針，用于穿透粘膜并保留以持續(xù)釋放藥物（刺，圖 1C）；(ii) 可拉伸的基底膜，用于負(fù)載微針并抵抗持續(xù)蠕動(dòng)收縮（皮膚，圖 1D）；(iii) 超吸收水凝膠顆粒，用于提供膨脹應(yīng)力以平衡膜張力并使裝置膨化（腹部的水；圖 1E）。在干燥條件下，可將單個(gè)微針機(jī)器人封裝到商用 00# 腸溶膠囊中，使其在酸性胃液中保持完整，并在腸道中釋放出來(lái)（圖 1G）。暴露在腸液中后，微針機(jī)器人會(huì)迅速膨脹到平衡狀態(tài)，達(dá)到所需的大小[與食品藥品管理局（FDA）批準(zhǔn)的 PillCam 相當(dāng)，小于腸腔直徑]，拉伸的薄膜會(huì)受到壓力，以支撐刺向腸腔壁豎起（圖 1G 和 H）。由于容積效應(yīng)，有節(jié)奏的腸蠕動(dòng)收縮可將微針推入粘膜，而松弛過(guò)程可將裝有鉤刺和藥物的前部與微針機(jī)器人分離，并將裝有藥物的鉤刺鎖定在腸壁上（圖 1I）。

使用微針機(jī)器人后對(duì)腸道組織進(jìn)行的組織學(xué)分析表明，腸道組織恢復(fù)迅速，炎癥反應(yīng)有限。以胰島素為模型藥物，本研究驗(yàn)證了其在 60 分鐘內(nèi)的快速降糖效果，并在對(duì)小豬進(jìn)行 4 小時(shí)體內(nèi)觀察期間將口服生物利用度提高到23.6%，大大高于目前生物制劑口服藥物約 1%的生物利用度。這種由蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人可作為目前依賴注射途徑的生物制劑口服給藥的多功能平臺(tái)。

圖1 受刺豚腸蠕動(dòng)啟發(fā)的微針機(jī)器人，用于口服輸送生物藥物

【微針機(jī)器人的構(gòu)造和特性分析】

為了利用微針機(jī)器人的蠕動(dòng)收縮力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和微針穿透，微針機(jī)器人應(yīng)具有可膨脹性，以獲得足夠的蠕動(dòng)壓力，并將微針伸向腸壁。圖 2A 是可膨脹微針機(jī)器人的構(gòu)造過(guò)程示意圖。微機(jī)器人的微針由聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和聚乙二醇（PEG）的聚合物混合物通過(guò)模板輔助光交聯(lián)法制成（圖 2AI）。之所以選擇 PEGDA 作為基質(zhì)，是因?yàn)樗哂械纳锵嗳菪院屠硐氲臋C(jī)械強(qiáng)度。通常情況下，通過(guò)快速交聯(lián)形成的 PEGDA 緊密網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)眼尺寸較小，不利于藥物釋放（圖 2C，左），而且用于微針-膜進(jìn)一步連接的雙鍵有限。為了克服上述問(wèn)題，本研究添加了 PEG 作為稀釋劑，以阻礙 PEGDA 的交聯(lián)。低溫掃描電子顯微鏡（cryo-SEM）顯微圖像證實(shí)，與不含 PEG 的網(wǎng)絡(luò)相比，摻入 PEG 的 PEGDA 網(wǎng)絡(luò)具有更高的孔隙率和更大的網(wǎng)孔尺寸（圖 2C）。當(dāng)摻入分子量為 4000 的聚乙二醇（PEG-4000）33 wt % 時(shí)，本研究證實(shí)嵌入熒光染料的藥物在 3 小時(shí)內(nèi)的釋放率高達(dá) 50%（圖 2D），這歸因于松散的網(wǎng)絡(luò)和親水性 PEG 的溶解。本研究還考慮過(guò)使用其他生物相容性親水聚合物，如聚乙烯醇（PVA）和聚乙烯吡咯烷酮作為稀釋劑來(lái)調(diào)節(jié)藥物釋放速率。然而，這些材料與 PEGDA 混合后會(huì)出現(xiàn)快速相分離，這意味著水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的交聯(lián)密度變得更難調(diào)節(jié)，促進(jìn)藥物釋放的主要原因是親水性聚合物的快速溶解。通過(guò)壓縮試驗(yàn)（圖 2E）測(cè)定，微針在彎曲前的機(jī)械強(qiáng)度至少為 30 mN/根，體內(nèi)豬腸的穿透力為 2.5 mN/根。微針的機(jī)械強(qiáng)度隨著 PEG 百分比和 PEG 分子量的增加而降低，這表明交聯(lián)程度降低，腫脹程度增大也證明了這一點(diǎn)。穿刺組織的組織學(xué)檢查顯示，微針成功穿透了腸壁粘膜（圖 2F）。考慮到潛在的腸穿孔風(fēng)險(xiǎn)，本研究進(jìn)行了多次穿孔測(cè)試，發(fā)現(xiàn)至少需要 50 mN 的力和向組織至少 4 mm 的位移才能導(dǎo)致組織穿孔。這些結(jié)果證明了 PEGDA/PEG 微針的堅(jiān)固性，以及在蠕動(dòng)收縮壓力下安全穿透組織而無(wú)穿孔風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 微針機(jī)器人的制備和表征

【利用蠕動(dòng)收縮促進(jìn)粘膜穿透的可膨脹微針機(jī)器人】

鑒于腸蠕動(dòng)的強(qiáng)度與食糜的大小呈正相關(guān)，膨脹平衡狀態(tài)下機(jī)器人的體積可能決定作用于機(jī)器人的蠕動(dòng)收縮力，從而影響藥物微針的穿透效果。為了優(yōu)化微針機(jī)器人的尺寸，本研究選擇了胃腸道解剖和生理結(jié)構(gòu)與人類相似的巴馬小豬作為體內(nèi)動(dòng)物模型，進(jìn)行腸道測(cè)壓和微針穿透評(píng)估。如圖 3A所示，本研究通過(guò)胃鏡將一系列定制設(shè)計(jì)的不同直徑的壓力傳感器送入小腸，實(shí)時(shí)測(cè)量體內(nèi)的蠕動(dòng)壓力。為了消除環(huán)境壓力，本研究在膠囊狀壓力傳感器的軸向和徑向兩端都安裝了壓力測(cè)量單元，得出的壓力差就是腸蠕動(dòng)壓力（P_intestine）（圖 3A）。圖 3C 顯示了通過(guò)直徑分別為 10 毫米、12 毫米和 14 毫米的壓力傳感器測(cè)量的三只小豬 5 分鐘的蠕動(dòng)壓力曲線摘錄。對(duì)于每只小豬，都觀察到了主頻率約為 10 cpm 的持續(xù)蠕動(dòng)壓力，非配對(duì) t 檢驗(yàn)顯示，使用較大的傳感器進(jìn)行測(cè)試時(shí)，平均壓力顯著增加（圖 3D）。由于蠕動(dòng)壓力來(lái)自腸道蠕動(dòng)的沖力，因此假定在與傳感器直徑相同的微針機(jī)器人上施加相同的收縮力。每個(gè)微針（F_intestine）上施加的收縮力可由蠕動(dòng)壓力換算得出（圖 3B）。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)微針機(jī)器人的直徑達(dá)到14毫米時(shí)，單個(gè)微針上的F_intestine可能達(dá)到10.5 ± 1.3 mN，比文獻(xiàn)中報(bào)道的所需穿透力高四倍（圖3D）。這些數(shù)據(jù)表明，在小型豬模型中，增加機(jī)器人裝置的徑向尺寸可以增加作用在其上的蠕動(dòng)壓力，從而為微針穿透腸壁提供所需的驅(qū)動(dòng)力。

圖3 通過(guò)蠕動(dòng)收縮實(shí)現(xiàn)微針穿透

【利用蠕動(dòng)松弛和倒鉤結(jié)構(gòu)促進(jìn)粘膜保留的可膨脹微針機(jī)器人】

腸蠕動(dòng)的節(jié)律性意味著它不僅包括強(qiáng)烈的收縮，還包括周期性的松弛（圖 4A）。圖 4B 顯示了從蠕動(dòng)壓力曲線得出的三只小豬在 60 秒內(nèi)的收縮-松弛交替情況。數(shù)據(jù)證實(shí)，在蠕動(dòng)過(guò)程中，收縮和松弛階段不斷交替，雙向方差分析（ANOVA）檢驗(yàn)證實(shí)，在所有受試小豬中，松弛階段在整個(gè)周期中所占的時(shí)間比收縮階段長(zhǎng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)約占蠕動(dòng)周期的 67.7%（圖 4C）。然而，長(zhǎng)時(shí)間的松弛期可能會(huì)導(dǎo)致載藥微針脫離粘膜，暴露在惡劣的管腔環(huán)境中，最終降低給藥效率（圖 4A）。受某些刺痛生物難以拔出的倒鉤刺的基本原理啟發(fā)，本研究為微針構(gòu)建了一種松樹啟發(fā)的倒鉤結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)微針與纖維組織的機(jī)械互鎖，從而使倒鉤微針難以從粘膜中拔出，并在蠕動(dòng)松弛過(guò)程中易于從微針機(jī)器人上脫落（圖 4D）。松樹啟發(fā)的鉤刺微針是通過(guò)多軸向光固化工藝制成的（圖 2A 和 4E），在此過(guò)程中，只需改變鉤刺層數(shù)（n_barb）和兩層之間的邊長(zhǎng)比（L_barb），就能調(diào)節(jié)微針的回縮力（F_out）（圖 4D）。同時(shí)，兩層之間的連接力也會(huì)隨著重疊高度的變化而變化。為了驗(yàn)證使用倒鉤結(jié)構(gòu)固定組織的可行性，本研究在活體豬小腸上測(cè)試了倒鉤的回縮力（圖 4F）。與裸微針相比，帶刺微針從組織中回縮需要 6.2 mN，而且回縮力隨著 n_barb 和 L_barb 值的增加而增加（圖 4G）。

圖4 通過(guò)蠕動(dòng)收縮和放松保持微針

【體內(nèi)給藥的有效性和安全性】

為了觀察微針機(jī)器人的口服給藥和排泄途徑，本研究首先將裝有X射線造影劑的5個(gè)微針機(jī)器人經(jīng)口腔注射到小鼠體內(nèi)，并在透視下觀察它們的胃腸道分布（圖5A）。由于機(jī)器人足夠小，可以裝入商用 00# 腸溶膠囊中，因此在食道和胃中保持完整，并在胃排空后進(jìn)入腸腔（圖 5A，a 和 b）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，本研究觀察到微針機(jī)器人的大小會(huì)影響胃腸道轉(zhuǎn)運(yùn)的效果。由于迷你豬模型的胃排空時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 24 小時(shí)，幽門狹窄，制備的 30 毫米長(zhǎng)的微針機(jī)器人直到第五天才出現(xiàn)在腸道中，幽門通過(guò)時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致五個(gè)微針機(jī)器人中的四個(gè)被強(qiáng)烈的胃收縮擠壓成碎片。為了讓更多的微針機(jī)器人能夠完整地進(jìn)入腸道，本研究又制作了五個(gè)直徑與第一批相同的 15 毫米長(zhǎng)（第一批微針機(jī)器人長(zhǎng)度的一半）的微針機(jī)器人，并進(jìn)行了相同的輸送實(shí)驗(yàn)程序。結(jié)果表明，較短的微針機(jī)器人比較長(zhǎng)的微針機(jī)器人早一天（第 4 天）通過(guò)幽門，而且這五個(gè)微針機(jī)器人中有四個(gè)進(jìn)入了腸道。進(jìn)入腸道后，微針機(jī)器人開始膨脹并與腸道相互作用（圖 5Ab）。最后，微針機(jī)器人在持續(xù)的蠕動(dòng)收縮下被擠壓粉碎（圖 5Ac），較短和較長(zhǎng)的微針機(jī)器人分別在第 6 天和第 7 天排出胃腸道（圖 5Ad）。這些數(shù)據(jù)表明，微針機(jī)器人可以通過(guò)胃腸道，其大小影響了通過(guò)時(shí)間以及進(jìn)入腸道發(fā)揮功能的能力。考慮到人的胃排空時(shí)間比小豬快，幽門比小豬大，微針機(jī)器人可以進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，以更短的時(shí)間穿過(guò)人的胃腸道，使其在人胃內(nèi)不易被破壞，這是與小豬胃相比的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

圖5 在小型豬體內(nèi)給藥

為了驗(yàn)證微針機(jī)器人的給藥效果，本研究進(jìn)一步將人重組胰島素注入微針機(jī)器人，并在體內(nèi)放置4小時(shí)后測(cè)量了小豬血糖和血漿藥物濃度的變化。為了避開較長(zhǎng)的胃排空時(shí)間并確定觀察起點(diǎn)，本研究直接將微針機(jī)器人送入十二指腸，并在動(dòng)物麻醉后使用胃鏡持續(xù)觀察。本研究的機(jī)器人給藥方法（0.8 毫克）與皮下注射（0.2 毫克）和腸道灌胃（1.0 毫克）胰島素溶液進(jìn)行了比較。在取樣期間，機(jī)器人給藥法在 180 分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)了 23.6 ± 10.7% 的血糖下降，與皮下注射法 30.7 ± 10.4% 的下降幅度相當(dāng)（n = 3）。腸道灌胃組血糖下降不明顯，但在 40 分鐘后略有上升（圖 5B 和 C）。與觀察結(jié)果一致，藥代動(dòng)力學(xué)研究顯示，機(jī)器人給藥法實(shí)現(xiàn)了與皮下注射相當(dāng)?shù)拇髣┝恳葝u素給藥，其相對(duì)生物利用度達(dá)到 23.6%（n = 5），是腸道灌胃組（0.6%，n = 5）的 37.7 倍（圖 5D 和 E）。

2. 總結(jié)與展望

本研究開發(fā)了一種非常規(guī)的腸道蠕動(dòng)微針機(jī)器人，并在小豬體內(nèi)演示了其用于腸道微注射和口服給藥的可行性。受刺豚在受到威脅時(shí)的膨脹和刺痛防御行為的啟發(fā)，微針機(jī)器人可以通過(guò)吸收腸液膨脹成體積增大的刺囊，并利用徑向蠕動(dòng)收縮將裝載藥物的微針推入腸壁。微針機(jī)器人的平衡容積經(jīng)過(guò)優(yōu)化，既能為微針穿刺提供足夠的蠕動(dòng)壓力，又能避免造成腸梗阻。與強(qiáng)烈的一次性給藥模式相比，適度和重復(fù)的穿刺過(guò)程確保了較高的給藥可靠性，并能有效減少穿刺失誤和穿孔風(fēng)險(xiǎn)。帶倒刺的微針結(jié)構(gòu)使藥物微針在插入后很容易與機(jī)器人本體分離，并在蠕動(dòng)松弛過(guò)程中促進(jìn)微針在腸壁的保留。在小豬體內(nèi)進(jìn)行的給藥實(shí)驗(yàn)表明，胰島素具有明顯的降血糖作用，生物利用率高達(dá) 23.6%，超過(guò)了典型生物制劑口服給藥的生物利用率，在迄今為止公開文獻(xiàn)報(bào)道的胰島素腸內(nèi)給藥機(jī)器人（約 10%）中排名靠前。

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