纳米技术代替放化疗 浙大顾臻团队研发微针贴剂

聊到贴剂，大家首先想到的是不是创口贴、骨痛贴？对，这些可以说是最普通的贴剂了。

图｜创口贴（来源：Pixabay）

然而因为皮肤的屏障作用，普通的贴剂透过率往往很低，递送的药物局限于小分子的高脂溶性非电解质化合物。

为了克服这一障碍，科研工作者将皮下注射与透皮贴剂的原理结合，开发了一种新型透皮给药系统 —— 微针透皮贴剂。

微针透皮贴剂促渗效果显著，尤其是能透过大分子药物，因此在临床上具有较高的应用价值。

基于微针透皮贴剂技术，浙江大学药学院院长顾臻团队开发了一款能够实现化疗药增效减毒的生物正交催化贴剂（Bioorthogonal Catalytic Patch）。这款贴剂以聚乙烯醇为基质，微针中掺杂着二氧化钛纳米片和催化剂钯纳米粒。

当生物正交催化贴剂贴在黑色素瘤周皮肤上时，微针中的钯纳米粒能够把经血液循环到达肿瘤的阿霉素前药原位激活为阿霉素。这种 “守株待兔” 的策略不仅降低了化疗药对全身的毒性（减毒），还能实现肿瘤区域的药物分子的富集（增效）。

这项研究于当地时间 5 月 10 日发表在 Nature Nanotechnology 上，标题为《生物正交催化贴剂》“Bioorthogonal Catalytic Patch”。

图｜顾臻团队于当地时间 5 月 10 日在 Nature Nanotechnology 上发表论文，题为《Bioorthogonal Catalytic Patch》（来源：受访者）

此前，顾臻教授首次提出了能 “对症下药” 的 “智能微针贴片” 的概念，曾研发了血糖响应性 “智能胰岛素贴” 以及 “光子晶体微针”，分别可实现定量的胰岛素释放和可视化的葡萄糖监测，为糖尿病患者带来了福音。

生物正交催化贴剂：基于聚乙烯醇、二氧化钛纳米片以及 Pd 纳米粒

生物正交反应，通常指能够在活细胞或组织生化环境下进行的非天然化学反应，反应条件往往比较温和。因此，通过生物正交反应可以用来活体标记生物分子以及活体内合成活性物质。

生物正交反应往往需要用到一些金属催化剂，例如过渡金属元素钯（Pd），其可以催化多种加氢还原过程。

然而，过渡金属元素毒性大，有一定的免疫原性以及体内代谢难等问题限制了其临床应用。

为了解决这个问题，顾臻团队想到了微针技术。他们将常见催化剂 Pd 纳米粒固定在微针上，微针在透皮给药时，就能把 Pd 暴露在病灶部位进行生物正交催化反应。

顾臻告诉 DeepTech：“这项研究主要的挑战有两个，一个是微针基质材料的选择，另一个是如何把 Pd 纳米粒很好地固定在微针上。”

在微针基质材料方面，团队在经过多种尝试后，采用的是聚乙烯醇（PVA）。PVA 具有在体内不会降解，与金属氧化物颗粒相容性好以及无毒等优点。

更难得是，PVA 含有独特的微晶结构，吸水能形成多孔的结构。PVA 微针吸水后会呈现膨胀特性，并在 30 分钟后达到饱和。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，微针基体的表面和内部可形成具有数微米到数十微米孔隙的三维网络。

这种分级多孔结构有利于催化反应的进行，具体机制包括（1）促进底物与催化位点的接触；（2）促进产物分子离开催化位点。

图｜PVA 微针吸水后可形成多孔结构（来源：受访者）

他表示：“一开始，我们直接将 Pd 纳米粒固定在微针上。然而前期研究发现这种设计仍会有 Pd 的泄漏。最后我们发现在将 Pd 纳米粒先固定在二氧化钛纳米片（TNSs）上，便可以牢牢地把 Pd 纳米粒固定在微针基质中。”

研究发现，当把载有 Pd 纳米粒沉积的 TNSs 的微针（PT-MNs）浸入到水里时，泄漏到水相的 Pd 仅占总量的 0.24%，可见稳定性较高。

通过 X 射线光谱分析，研究人员揭开了 TNSs “圈住” Pd 纳米粒的 “神秘面纱”：TNSs 能通过 Pd-O 共价键与 Pd 纳米粒耦连。此外，TNSs 一定程度上还增加了微针的硬度，使其更容易进入皮肤。

本研究所用的微针排列成 15 ×15 的阵列。SEM 图像显示，微针为锥体，基底直径为 500 μm，高度为 1500 μm，尖端半径为 10 μm，表面有较多突起。

图｜PT-MNs 微针的微观结构（来源：受访者）

生物正交催化贴剂的体外催化效应

Pd 能够催化 N - 烯丙氧羰基（alloc）的 “脱笼反应”，根据此原理，顾臻团队设计了一种可视化的方法来考察 PT-MNs 的催化效应。

罗丹明 110（RH 110）是一种发绿色荧光的染料，他们在这种染料的末端氨基上修饰了 N - 烯丙氧羰基（alloc-RH 110）。alloc-RH 110 不具有荧光，但在 Pd 的催化下，能转化成 RH 110，从而发出绿色荧光。

图｜Pd 能催化 alloc-RH 110 生成 RH 110 （来源：受访者）

研究表明，PT-MNs 能催化水溶液中的 alloc-RH 110 发出绿色荧光，荧光强度并随着处理时间增加而增强。

进一步，研究人员在黑色素瘤细胞 B16-F10 等细胞系的培养环境中添加了 alloc-RH 110。流式细胞术以及激光共聚焦表明随着 PT-MNs 处理细胞的时间越长，细胞内的荧光强度越强。

生物正交催化贴剂：实现阿霉素的减毒增效

阿霉素（DOXorubicin，DOX），又名多柔比星，是一种广谱抗肿瘤药物，其抗肿瘤机理是与 DNA 碱基结合，干扰转录过程抑制 DNA 复制和 RNA 合成，从而抑制肿瘤细胞的增殖。

目前临床上主要还是通过系统给药。然而，在杀伤肿瘤的同时，DOX 也会抑制正常细胞的增殖，尤其是增殖较快的细胞，这导致它会产生如心脏毒性，脱发，骨髓移植等的不良反应。

为了降低 DOX 的全身毒性，顾臻团队采用了 “前药” 设计手段：在 DOX 游离的氨基端被修饰上 N - 烯丙氧羰基（alloc）。

Alloc-DOX 本身的毒性较低，在 Pd 催化下会活化成 DOX 发挥抗肿瘤效应。体外研究发现，alloc-DOX 与 DNA 结合效率比 DOX 低十几倍，细胞毒性比 DOX 小 120 多倍。

那么 PT-MNs 能否像预想中一样催化 alloc-DOX 生成 DOX 呢？

第一步该团队采用了黑色素瘤 B16-F10 细胞模型。流式细胞术和 TUNEL 测试发现，PT-MNs 和 alloc-DOX 联合给药会造成显著的细胞凋亡，而单独给任意一种处理则不会。

在处理组细胞培养上清中，研究人员检测到了 DOX 分子，这说明 PT-MNs 催化 alloc-DOX 生成 DOX 分子，从而导致细胞凋亡。

接下来他们以黑色素瘤荷瘤小鼠为模型，考察 PT-MNs 的体内催化效应。

图｜黑色素瘤小鼠给药模型（来源：受访者）

首先，他们比较了 alloc-DOX 和 DOX 的系统给药毒性，利用小鼠的体重变化作为衡量药物毒性的重要指标。结果显示，当 DOX 腹腔注射剂量仅达到 10mg・kg-¹（每 3 天给 1 次药），小鼠已出现严重的体重下降；然而，当 alloc-DOX 注射剂量高达 150mg・kg-¹ 时，小鼠的体重仅减少了约 7.7%。

根据毒性耐受实验，等毒性的 alloc-DOX 和 DOX 两者剂量相差 20 倍，即在保证同等安全性的前提下，alloc-DOX 的剂量可以比 DOX 更高，能起到更好的抗肿瘤效应。

接下来，他们研究了在 PT-MNs 催化作用下，alloc-DOX 的抗肿瘤效应。每次给药前，先在小鼠的瘤周皮肤贴上 PT-MNs，一个小时后再腹腔注射药物。

研究发现，PT-MNs 和 alloc-DOX 联合给药时，小鼠的肿瘤增殖速度减慢，肿瘤细胞呈现凋亡状态；而 T-MNs 和 alloc-DOX 单独给药时，则并没有这样的肿瘤的治疗效应。

值得一提的是，等毒性剂量的 DOX 给药组仅有较弱的抗肿瘤效应。在停止给药后，肿瘤增殖速度明显加快。

图｜不同处理下，小鼠肿瘤体积的变化（来源：受访者）

进一步，研究人员对小鼠的肿瘤组织，血浆以及重要脏器中 alloc-DOX 和 DOX 的浓度进行了分析。

PT-MNs 和 alloc-DOX 联合给药时，肿瘤组织中的 DOX 浓度比 DOX 单独给药组高，而血浆以及重要脏器中的 DOX 浓度则明显比 DOX 单独给药组低。可见 PT-MNs 催化 alloc-DOX 得到的 DOX 主要分布在肿瘤组织。

图｜不同处理下，各组织中 alloc-DOX 和 DOX 的浓度（来源：受访者）

目前，顾臻团队已针对此申请了专利，后续将在大动物身上做进一步的研究。

谈到 PT-MNs 是否能用于较深层的实体肿瘤，顾臻告诉 DeepTech： “要实现深层实体瘤的治疗，还需要在 PT-MNs 基础上变化形态，使其能通过微创手术植入肿瘤组织并且在治疗完还能方便取出。”

当然，“肿瘤只是生物正交催化贴剂的一个范例，” 顾臻谈到，“事实上，生物正交催化贴剂或是器件是一个新概念，它作为一种平台技术，可以潜在用在多种场景中以及疾病模型中。而且也可以和免疫治疗等联用，通过活化免疫治疗的一些小分子甚至大分子，从而实现更好的治疗效果。”

,