UCLA顾臻教授团队研发新型“智能胰岛素贴片”
2020-02-06 来源：学术经纬
近日，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的顾臻教授课题组及生物医药公司Zenomics开发了一款新型“智能胰岛素贴片”，可根据体内的血糖变化自动释放胰岛素，从而有望取代麻烦的日常血糖检查。这款贴片目前在大动物模型上经过实验验证，并准备提交临床试验申请，进一步在人体验证安全性和有效性。这项有望造福糖尿病患者的研究成果发表在《自然》子刊《自然·生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）。
通讯作者顾臻教授说：“我们的目标是在有效管理糖尿病患者日常血糖水平的基础上，提高他们的生活质量。”
对于广大糖尿病患者来说，注射胰岛素往往是必不可少的治疗手段。胰岛素是胰脏自然产生的一种激素，当人体摄入食物后，随着血液中葡萄糖浓度升高，胰岛素能有效帮助葡萄糖进入细胞，进行新陈代谢，为身体提供能量。
然而，无论是身体无法自然产生胰岛素的1型糖尿病，还是不能有效利用胰岛素的2型糖尿病，患者在注射胰岛素前都要监测血糖变化，大多需要扎破手指采血，然后根据测得的结果进行皮下注射。这一过程每天多次进行，既痛苦，又不精确。如果注射剂量有误，更可能会导致严重的并发症，甚至有生命危险。
正因为如此，研究者希望为全世界的糖尿病患者带来更便捷也更精确的血糖控制方法。
为尽早把实验室里的原型变成可以帮助患者的新技术，顾臻教授发起创建了Zenomics公司加快临床转化。如何使得“智能胰岛素贴片”在保证小型化、方便使用的前提下，更加精准、维持更长时间、更符合临床需求成为研究团队近几年的研发重心。
在动物实验中，这款智能贴片的有效性得到了验证。科学家们使用了糖尿病的迷你猪作为模型。一张微针贴片，就能让体重25千克的小猪在长达20小时的时间里维持正常的血糖水平。而且，这种贴片还可以每天换新的，连续多日使用。
论文第一作者，同时也是Zenomics公司首席科学家俞计成博士指出：“贴片上的微针尺寸小于平时用于测血糖的采血针，而且仅仅扎入皮肤几百微米，能够有效减轻使用时的不适感。并且高分子微针在皮肤内并不会溶解，在使用完后可以完整的取出，不残留在体内，提高了长期使用的安全性。”
研究人员同时还指出，除了糖尿病，这类生理响应智能给药贴片的治疗模式和制作方法也可应用于其他疾病的管理。
共同作者之一、麻省理工学院的Robert Langer教授表示：“很高兴团队将智能胰岛素贴片的转化往前更进一步，我们期盼着它能有一天帮助病患。”
我们也期待科学家在后续临床试验中获得成功，让糖尿病患者可以选择更便捷的血糖管理方案，让更多基础疾病患者的健康与生活质量得到提升。
参考资料[1] Jicheng Yu et al., (2020) Glucose-responsive insulin patch for the regulation of blood glucose in mice and minipigs. [2] Yu, J. et al. (2015) Microneedle-array patches loaded with hypoxia-sensitive vesicles provide fast glucose-responsive insulin delivery. Proc. Natl Acad. Sci. DOI：https://doi.org/10.1073/pnas.1505405112
通讯作者顾臻教授说：“我们的目标是在有效管理糖尿病患者日常血糖水平的基础上，提高他们的生活质量。”
▲智能胰岛素贴片实物示意图（图片来源：UCLA官网）
糖尿病是一类影响人数众多的基础疾病。根据国际糖尿病联盟的统计，2019年全世界糖尿病成人患者已达4.6亿，这一数字预计到2045年将会达到7亿！对于广大糖尿病患者来说，注射胰岛素往往是必不可少的治疗手段。胰岛素是胰脏自然产生的一种激素，当人体摄入食物后，随着血液中葡萄糖浓度升高，胰岛素能有效帮助葡萄糖进入细胞，进行新陈代谢，为身体提供能量。
然而，无论是身体无法自然产生胰岛素的1型糖尿病，还是不能有效利用胰岛素的2型糖尿病，患者在注射胰岛素前都要监测血糖变化，大多需要扎破手指采血，然后根据测得的结果进行皮下注射。这一过程每天多次进行，既痛苦，又不精确。如果注射剂量有误，更可能会导致严重的并发症，甚至有生命危险。
正因为如此，研究者希望为全世界的糖尿病患者带来更便捷也更精确的血糖控制方法。
▲糖尿病患者往往需要每天多次采血监测血糖变化（图片来源：pixabay）
顾臻教授的课题组长期致力于利用创新材料及器件开发药物递送技术。2015年，他们发表在《美国科学院院刊》（PNAS）的一项研究首次报道了“智能胰岛素贴片”的概念。其基本原理是让制剂感应血糖水平的变化，血糖升高时快速释放胰岛素，而在血糖正常时抑制释放，起到智能控制的功效。同时，采用高分子材料制成注射用的微型针头阵列，大大减轻患者的注射痛苦。为尽早把实验室里的原型变成可以帮助患者的新技术，顾臻教授发起创建了Zenomics公司加快临床转化。如何使得“智能胰岛素贴片”在保证小型化、方便使用的前提下，更加精准、维持更长时间、更符合临床需求成为研究团队近几年的研发重心。
此次研究报道的新型“智能胰岛素贴片”，尺寸仅有一个1元硬币左右，上面负载着数百根微针。这些微针的实体直接由血糖响应性高分子构成。研究者将胰岛素与构建高分子的有机单体混合后，通过光照一步聚合形成针体，因而可以装载更大量的胰岛素，同时加工耗时也大幅缩减。由于制作出的微针硬度很高，可轻易穿透表皮来感知皮下组织附近的血糖水平。
当血糖上升时，微针检测到浓度变化而发生膨胀，并降低聚合物对胰岛素的吸附作用，从而促进胰岛素的快速释放。当血糖水平降回正常值后，胰岛素的释放速度也会随之减缓。这一智能响应模式可有效预防胰岛素递送过量，降低低血糖的风险。
▲智能胰岛素贴片作用机理（图片来源：参考资料[1]）
在动物实验中，这款智能贴片的有效性得到了验证。科学家们使用了糖尿病的迷你猪作为模型。一张微针贴片，就能让体重25千克的小猪在长达20小时的时间里维持正常的血糖水平。而且，这种贴片还可以每天换新的，连续多日使用。
论文第一作者，同时也是Zenomics公司首席科学家俞计成博士指出：“贴片上的微针尺寸小于平时用于测血糖的采血针，而且仅仅扎入皮肤几百微米，能够有效减轻使用时的不适感。并且高分子微针在皮肤内并不会溶解，在使用完后可以完整的取出，不残留在体内，提高了长期使用的安全性。”
研究人员同时还指出，除了糖尿病，这类生理响应智能给药贴片的治疗模式和制作方法也可应用于其他疾病的管理。
共同作者之一、麻省理工学院的Robert Langer教授表示：“很高兴团队将智能胰岛素贴片的转化往前更进一步，我们期盼着它能有一天帮助病患。”
我们也期待科学家在后续临床试验中获得成功，让糖尿病患者可以选择更便捷的血糖管理方案，让更多基础疾病患者的健康与生活质量得到提升。
参考资料[1] Jicheng Yu et al., (2020) Glucose-responsive insulin patch for the regulation of blood glucose in mice and minipigs. [2] Yu, J. et al. (2015) Microneedle-array patches loaded with hypoxia-sensitive vesicles provide fast glucose-responsive insulin delivery. Proc. Natl Acad. Sci. DOI：https://doi.org/10.1073/pnas.1505405112
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