文獻背景
植入式給藥系統（DDSs）在局(ju)部按需給(gei)藥(yao)和治療(liao)(liao)中發揮著重要作用(yong)。結合(he)材(cai)(cai)料和結構(gou)的(de)設(she)計(ji)，DDSs可(ke)(ke)以滿(man)(man)足(zu)各種病(bing)理環境(jing)(jing)下的(de)藥(yao)物(wu)釋(shi)(shi)放(fang)需求(qiu)，如皮下、肌肉(rou)、血管和大腦(nao)環境(jing)(jing)。現有的(de)DDSs大多是(shi)被動釋(shi)(shi)放(fang)的(de)，只(zhi)能(neng)(neng)通過物(wu)質(zhi)與環境(jing)(jing)的(de)相互作用(yong)實現藥(yao)物(wu)的(de)泄(xie)漏和擴散，不能(neng)(neng)精確地控制藥(yao)物(wu)釋(shi)(shi)放(fang)時間和速率(lv)。現有多數裝置在功(gong)能(neng)(neng)和結構(gou)上是(shi)同質(zhi)的(de)，不能(neng)(neng)針對復雜的(de)病(bing)理環境(jing)(jing)進行雙重或多種治療(liao)(liao)，多數是(shi)基于不可(ke)(ke)生物(wu)降解(jie)的(de)材(cai)(cai)料，在藥(yao)物(wu)釋(shi)(shi)放(fang)后(hou)不能(neng)(neng)全部降解(jie)。理想的(de)主動控制給(gei)藥(yao)裝置應確保藥(yao)物(wu)在釋(shi)(shi)放(fang)前零泄(xie)漏，藥(yao)物(wu)全部釋(shi)(shi)放(fang)后(hou)在體內全部降解(jie)；可(ke)(ke)以響應刺(ci)激快速釋(shi)(shi)放(fang)藥(yao)物(wu)；具(ju)有廣譜的(de)載(zai)藥(yao)和多功(gong)能(neng)(neng)遞送能(neng)(neng)力來滿(man)(man)足(zu)不同病(bing)理環境(jing)(jing)的(de)植入需求(qiu)。
該研究提出了一種可生物降解的多功能活性控制藥物傳遞系統（ADDS），其可(ke)以根據電偶(ou)腐蝕理論(lun)主動控制藥(yao)物(wu)釋放(fang)。該系統以電作為控制方法，鎂(mei)（Mg）和聚乳酸/聚乳酸(suan)-羥(qian)基乙酸(suan)（PLA/PLGA）為給藥(yao)(yao)(yao)(yao)材料，可(ke)(ke)快速、精確地控制藥(yao)(yao)(yao)(yao)物(wu)(wu)(wu)釋(shi)放(fang)(fang)。通過串聯Mg閥可(ke)(ke)實(shi)現(xian)同一(yi)藥(yao)(yao)(yao)(yao)物(wu)(wu)(wu)的(de)脈(mo)沖釋(shi)放(fang)(fang)或(huo)不(bu)同藥(yao)(yao)(yao)(yao)物(wu)(wu)(wu)的(de)順(shun)序釋(shi)放(fang)(fang)。因(yin)此該系統可(ke)(ke)構建藥(yao)(yao)(yao)(yao)物(wu)(wu)(wu)釋(shi)放(fang)(fang)平臺向病理環(huan)境遞送不(bu)同的(de)藥(yao)(yao)(yao)(yao)物(wu)(wu)(wu)。Mg和PLA/PLGA具(ju)有良(liang)好的(de)生物(wu)(wu)(wu)相容(rong)性和可(ke)(ke)降解性，在給藥(yao)(yao)(yao)(yao)后可(ke)(ke)被全部降解和吸收，無需移除(chu)，可(ke)(ke)避(bi)免(mian)手術引起的(de)二次損傷。
基本信息
摘要
按需給藥系統（DDSs）在臨床體內個性化給藥方面有著巨大的前景。然而目前的DDSs功能單一，不能滿足患者的個性化需求。本文研究一種可生物降解的多功能主動控制給藥系統（ADDS），可以通過失活Mg閥門植入各種組織來實現藥物從儲存庫中的快速釋放以及隨著ADDS的生物降解長期給藥。通(tong)過設計具(ju)(ju)有(you)(you)串(chuan)聯(lian)Mg閥(fa)的(de)結構并將其沿z軸方(fang)向對齊來構建(jian)多個腔室，使系(xi)統以(yi)脈動(dong)或順(shun)序的(de)方(fang)式輸送(song)藥物(wu)。整個系(xi)統的(de)生物(wu)降(jiang)解性(xing)最大限度地減少(shao)了ADDS的(de)潛在(zai)(zai)副作(zuo)用(yong)，在(zai)(zai)大鼠體內(nei)的(de)應(ying)用(yong)證實了其在(zai)(zai)體內(nei)進行脈沖給(gei)藥的(de)能(neng)(neng)力。細(xi)胞和(he)(he)體外血管生物(wu)反應(ying)器表明(ming)該系(xi)統具(ju)(ju)有(you)(you)良好的(de)生物(wu)相容性(xing)和(he)(he)雙時間線給(gei)藥能(neng)(neng)力。這種多功能(neng)(neng)ADDS將在(zai)(zai)治療慢(man)性(xing)病(bing)和(he)(he)有(you)(you)并發癥疾病(bing)的(de)精確給(gei)藥方(fang)面發揮重要作(zuo)用(yong)。
研究內容及結果
1.ADDS的設計與應用
ADDS主要由載藥(yao)的(de)PLGA蓋、一對鎂箔電(dian)極、多個由PLA形成(cheng)的(de)藥(yao)物儲存室和(he)用(yong)(yong)于封裝的(de)PLA背襯膜(mo)組成(cheng)（圖1a）。ADDS可(ke)以(yi)通過(guo)改(gai)變結構和(he)形狀來(lai)實現更(geng)多的(de)功(gong)能和(he)應用(yong)(yong)（圖1b）。ADDS可(ke)以(yi)對體(ti)外電(dian)刺(ci)激產生反應，并以(yi)脈(mo)動方式傳(chuan)遞(di)藥(yao)物（圖1c）。圖1d是植入用(yong)(yong)于皮下(xia)給藥(yao)的(de)ADDS示意(yi)圖。圖1e是用(yong)(yong)于血管內(nei)皮損傷修復的(de)藥物遞送系統示意圖。
圖1
2.單閥ADDS的結構及系統工作流程
該系(xi)(xi)統由PLA膜(mo)儲(chu)藥室、PLA蓋、PLA膜(mo)基質和鎂箔(bo)閥組成。夾在PLA膜(mo)結構中(zhong)的(de)兩個Mg電極作(zuo)為系(xi)(xi)統的(de)陽(yang)極和陰極，藥物被隔(ge)離(li)在由鎂箔(bo)、儲(chu)存室和基質組成的(de)藥物儲(chu)存室中(zhong)（圖2a）。該系(xi)(xi)統具有薄、透明、靈(ling)活(huo)等特性(xing)，可將儲(chu)藥室中(zhong)隔(ge)離(li)的(de)大量藥物輸送出去(qu)（圖2b）。圖2c是控制藥物釋放的(de)單(dan)閥ADDS操作(zuo)的(de)示意圖。當腐蝕超過(guo)閥門厚度時，會導致關閉失敗并釋放藥物（圖2d）。圖2e是羅丹明B溶液從ADDS釋放(fang)示意圖。
圖2
3.單閥ADDS的開閥機理和藥物釋放行為
施加3V電壓80s后，Mg閥(fa)(fa)(fa)表面被(bei)腐(fu)蝕(shi)。160s后，Mg閥(fa)(fa)(fa)表面腐(fu)蝕(shi)嚴重，邊(bian)界區出現明(ming)(ming)顯(xian)(xian)缺陷，閥(fa)(fa)(fa)門全部打(da)開(kai)(kai)，閥(fa)(fa)(fa)門背面的腐(fu)蝕(shi)明(ming)(ming)顯(xian)(xian)，主要集中在(zai)邊(bian)緣(yuan)區域（圖3a）。3D光學輪(lun)廓儀掃描樣品量化(hua)了Mg閥(fa)(fa)(fa)相對高度(du)的變化(hua)（圖3b）。隨偏置時間的延長，閥(fa)(fa)(fa)門表面相對低空面積增大，Mg閥(fa)(fa)(fa)的高度(du)在(zai)閥(fa)(fa)(fa)與PLA邊(bian)界的接觸區間內逐漸降低，Mg閥(fa)(fa)(fa)的表面形(xing)貌變化(hua)超過(guo)其厚度(du)導致閥(fa)(fa)(fa)門開(kai)(kai)啟。閥(fa)(fa)(fa)門開(kai)(kai)啟主要由縫隙腐蝕引起，以邊界區域為主（圖(tu)(tu)(tu)3c）。固定(ding)Mg閥(fa)(fa)的(de)面(mian)積(ji)和厚(hou)度(du)，施(shi)加電(dian)壓(ya)越(yue)高反應越(yue)快，導致閥(fa)(fa)快速開啟(qi)（圖(tu)(tu)(tu)3d）。固定(ding)電(dian)壓(ya)和閥(fa)(fa)門(men)(men)(men)厚(hou)度(du)，閥(fa)(fa)門(men)(men)(men)開啟(qi)時間與(yu)閥(fa)(fa)門(men)(men)(men)面(mian)積(ji)成(cheng)正比(bi)（圖(tu)(tu)(tu)3e）。固定(ding)閥(fa)(fa)門(men)(men)(men)面(mian)積(ji)和外加電(dian)壓(ya)，閥(fa)(fa)門(men)(men)(men)厚(hou)度(du)與(yu)開啟(qi)時間成(cheng)正比(bi)（圖(tu)(tu)(tu)3f）。不同外加電(dian)壓(ya)下的(de)藥物(wu)釋(shi)放(fang)曲線趨(qu)勢(shi)相同，電(dian)壓(ya)對牛血清蛋白（BSA）釋(shi)放(fang)動(dong)力學無顯著影響（圖(tu)(tu)(tu)3g）。藥物(wu)釋(shi)放(fang)速率與(yu)閥(fa)(fa)門(men)(men)(men)面(mian)積(ji)成(cheng)正比(bi)（圖(tu)(tu)(tu)3h）。不同閥(fa)(fa)門(men)(men)(men)厚(hou)度(du)的(de)藥物(wu)釋(shi)放(fang)動(dong)力學無顯著差(cha)異（圖(tu)(tu)(tu)3i）。
圖3
4.ADDS的多功能性
將Mg閥(fa)(fa)串聯折疊(die)交替排列形(xing)成多(duo)個封閉儲藥(yao)(yao)(yao)室(shi)，各儲藥(yao)(yao)(yao)室(shi)在空間上(shang)疊(die)加最終得到(dao)多(duo)閥(fa)(fa)ADDS（圖(tu)(tu)(tu)4a，b）。閥(fa)(fa)門(men)(men)、藥(yao)(yao)(yao)物和(he)(he)儲存室(shi)呈三明治狀(zhuang)堆疊(die)（圖(tu)(tu)(tu)4c）。多(duo)閥(fa)(fa)ADDS可(ke)裝(zhuang)載相(xiang)同的(de)藥(yao)(yao)(yao)物以(yi)脈動方式給藥(yao)(yao)(yao)（圖(tu)(tu)(tu)4d）。閥(fa)(fa)門(men)(men)觸發后，累(lei)積藥(yao)(yao)(yao)物釋(shi)(shi)放(fang)(fang)曲線逐步增(zeng)加，分別(bie)達到(dao)100%、167%和(he)(he)207%，沒有電刺激時ADDS沒有藥(yao)(yao)(yao)物泄漏(lou)（圖(tu)(tu)(tu)4e）。當不同的(de)藥(yao)(yao)(yao)物被裝(zhuang)載在藥(yao)(yao)(yao)物儲存室(shi)時可(ke)順序釋(shi)(shi)放(fang)(fang)多(duo)種藥(yao)(yao)(yao)物（圖(tu)(tu)(tu)4f）。將牛血清白蛋(dan)白（BSA）、骨碎補總黃酮（OTF）和(he)(he)阿霉素（DOX）裝(zhuang)入多(duo)閥(fa)(fa)儲存室(shi)。Mg閥(fa)(fa)依次(ci)打開后，BSA、OTF和(he)(he)DOX分別(bie)以(yi)72%、59%和(he)(he)28%的(de)釋(shi)(shi)放(fang)(fang)量迅速釋(shi)(shi)放(fang)(fang)（圖(tu)(tu)(tu)4g）。
圖4
5.多功能ADDS體內給藥性能研究
將ADDS植入(ru)大鼠背部驗證其體(ti)內(nei)給藥的(de)脈沖釋(shi)藥功能（圖5a，b）。當電壓觸(chu)發(fa)Mg閥開(kai)啟(qi)時，NONOates（Diazeniumdiolates）進入(ru)大鼠血液，迅速釋(shi)放NO（圖5c）。每隔60分鐘(zhong)向ADDS施加3V電壓，持續2分鐘(zhong)，觸(chu)發(fa)閥門打開(kai)并釋(shi)放二(er)乙(yi)烯(xi)三胺(an)（DETA）NONOates（圖5d）。大鼠血中NO濃度在ADDS開(kai)啟(qi)和(he)靜(jing)息期間隨閥門開(kai)啟(qi)呈先(xian)升高后降低(di)的(de)波動趨勢(shi)（圖5e）。
圖5
6.ADDS的雙時間線給藥
將血管(guan)內(nei)皮生(sheng)長(chang)因子（VEGF）載入ADDS儲(chu)存室中(zhong)，將紫杉醇（PTX）載入PLGA儲(chu)存室中(zhong)。觸發閥門后(hou)(hou)，175 ng的(de)VEGF迅速釋放，1 h后(hou)(hou)，VEGF釋放總量為300 ng（圖(tu)6a）。PLGA內(nei)的(de)PTX可(ke)以釋放長(chang)達63天或更長(chang)時間（圖(tu)6b）。PTX的(de)釋放在(zai)第一周比之后(hou)(hou)的(de)階段更低、更慢（圖(tu)6c）。提(ti)取物(wu)與人臍靜脈內(nei)皮細(xi)胞(bao)（HUVECs）共培養(yang)24 h后(hou)(hou)，第1 h、第1 d和第3 d組(zu)(zu)細(xi)胞(bao)密度(du)均(jun)(jun)高(gao)于對(dui)照組(zu)(zu)。共培養(yang)72 h后(hou)(hou)，1 h和1 d組(zu)(zu)保持相同趨(qu)勢，3 d組(zu)(zu)細(xi)胞(bao)密度(du)略有下降（圖(tu)6d）。圖(tu)6e是HUVECs的(de)吖(a)啶橙/溴化乙錠（AO/EB）染色結果。將人臍動脈平滑(hua)肌(ji)細(xi)胞(bao)（HUASMCs）與提(ti)取物(wu)共培養(yang)，只有7 d組(zu)(zu)在(zai)共培養(yang)24 h后(hou)(hou)顯(xian)著抑制HUASMCs的(de)增殖。72 h后(hou)(hou)，各組(zu)(zu)HUASMCs的(de)增殖均(jun)(jun)明(ming)(ming)顯(xian)受到抑制（圖(tu)6f，g）。實(shi)驗組(zu)(zu)HUVEC劃痕的(de)愈合率明(ming)(ming)顯(xian)高(gao)于對(dui)照組(zu)(zu)（圖(tu)6h）。實(shi)驗12 h和24 h后(hou)(hou)，實(shi)驗組(zu)(zu)HUASMC劃痕的(de)愈合率明(ming)(ming)顯(xian)低于對(dui)照組(zu)(zu)（圖(tu)6i）。
圖6
7.添加劑在生物反應器中的血管修復性能
生物(wu)反(fan)應器系(xi)統由血(xue)管室(shi)、循環管、電(dian)源、用(yong)于(yu)(yu)流體交換的(de)(de)(de)三(san)通(tong)接口(kou)和培養箱組(zu)成（圖7a）。介質通(tong)過三(san)通(tong)口(kou)注入(ru)反(fan)應器。并通(tong)過蠕動泵(beng)在血(xue)管內和血(xue)管外循環（圖7b）。與(yu)(yu)對(dui)照組(zu)相比(bi)(bi)各實(shi)驗(yan)組(zu)的(de)(de)(de)管腔面積均顯著增加(jia)（圖7c）。損(sun)傷后在生物(wu)反(fan)應器中培養7 d的(de)(de)(de)血(xue)管作為EV1；血(xue)管植(zhi)入(ru)ADDS培養7 d的(de)(de)(de)血(xue)管作為EV2。各實(shi)驗(yan)組(zu)中EV2的(de)(de)(de)管腔面積增加(jia)幅度明顯小于(yu)(yu)EV1（圖7d）。與(yu)(yu)對(dui)照組(zu)相比(bi)(bi)，EV1的(de)(de)(de)內膜和中膜厚(hou)度明顯減少，EV2的(de)(de)(de)厚(hou)度與(yu)(yu)對(dui)照組(zu)相比(bi)(bi)無顯著差(cha)(cha)異(yi)（圖7e）。各組(zu)均有不同程度的(de)(de)(de)細胞(bao)凋亡(wang)（圖7c）。EV1細胞(bao)凋亡(wang)率明顯高于(yu)(yu)其他各組(zu)，EV2細胞(bao)凋亡(wang)率與(yu)(yu)對(dui)照組(zu)相比(bi)(bi)無顯著差(cha)(cha)異(yi)（圖7f）。
圖7
結論
該(gai)研(yan)究構建(jian)了一種(zhong)新型(xing)串(chuan)聯(lian)Mg閥結構，用可生物降(jiang)解的(de)(de)PLGA/PLA薄(bo)膜封裝(zhuang)。該(gai)設計(ji)簡化(hua)了多(duo)(duo)個控(kong)(kong)制(zhi)單元的(de)(de)負擔，縱向分布的(de)(de)結構減少(shao)了系(xi)(xi)統的(de)(de)面(mian)積和(he)體積，允(yun)許ADDS僅通過(guo)一個控(kong)(kong)制(zhi)單元執(zhi)行多(duo)(duo)種(zhong)功(gong)能(neng)，優異的(de)(de)靈活(huo)性(xing)和(he)彎曲折疊能(neng)力(li)可適應(ying)不同(tong)的(de)(de)組織和(he)器官(guan)形態(tai)。ADDS小(xiao)型(xing)化(hua)可適應(ying)小(xiao)尺(chi)寸的(de)(de)組織/器官(guan)執(zhi)行多(duo)(duo)功(gong)能(neng)藥(yao)(yao)(yao)物遞送任務(wu)。靈活(huo)的(de)(de)瞬(shun)態(tai)ADDS可實現快速(su)響(xiang)應(ying)脈沖釋(shi)(shi)放、順(shun)序釋(shi)(shi)放和(he)雙時間線(xian)給藥(yao)(yao)(yao)功(gong)能(neng)。ADDS在需要多(duo)(duo)次、多(duo)(duo)類(lei)型(xing)、長(chang)期和(he)短期藥(yao)(yao)(yao)物聯(lian)合治(zhi)療的(de)(de)慢性(xing)疾病中具(ju)有很好的(de)(de)應(ying)用前(qian)景，在小(xiao)尺(chi)寸組織/器官(guan)的(de)(de)給藥(yao)(yao)(yao)方面(mian)也具(ju)有顯著的(de)(de)優勢。結合微生物可降(jiang)解無線(xian)控(kong)(kong)制(zhi)裝(zhuang)置(zhi)，改進制(zhi)造工藝，可使系(xi)(xi)統更加小(xiao)型(xing)化(hua)和(he)智能(neng)化(hua)，進一步拓展系(xi)(xi)統在個性(xing)化(hua)可穿戴給藥(yao)(yao)(yao)領域的(de)(de)應(ying)用前(qian)景。
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