聊到貼劑，大家首先想到的是不是創(chuàng)口貼、骨痛貼？對(duì)，這些可以說(shuō)是最普通的貼劑了。

圖｜創(chuàng)口貼（來(lái)源：Pixabay）

然而因?yàn)槠つw的屏障作用，普通的貼劑透過(guò)率往往很低，遞送的藥物局限于小分子的高脂溶性非電解質(zhì)化合物。

為了克服這一障礙，科研工作者將皮下注射與透皮貼劑的原理結(jié)合，開發(fā)了一種新型透皮給藥系統(tǒng) —— 微針透皮貼劑。

微針透皮貼劑促滲效果顯著，尤其是能透過(guò)大分子藥物，因此在臨床上具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

基于微針透皮貼劑技術(shù)，浙江大學(xué)藥學(xué)院院長(zhǎng)顧臻團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款能夠?qū)崿F(xiàn)化療藥增效減毒的生物正交催化貼劑（Bioorthogonal Catalytic Patch）。這款貼劑以聚乙烯醇為基質(zhì)，微針中摻雜著二氧化鈦納米片和催化劑鈀納米粒。

當(dāng)生物正交催化貼劑貼在黑色素瘤周皮膚上時(shí)，微針中的鈀納米粒能夠把經(jīng)血液循環(huán)到達(dá)腫瘤的阿霉素前藥原位激活為阿霉素。這種 “守株待兔” 的策略不僅降低了化療藥對(duì)全身的毒性（減毒），還能實(shí)現(xiàn)腫瘤區(qū)域的藥物分子的富集（增效）。

這項(xiàng)研究于當(dāng)?shù)貢r(shí)間 5 月 10 日發(fā)表在?Nature Nanotechnology?上，標(biāo)題為《生物正交催化貼劑》“Bioorthogonal Catalytic Patch”。

圖｜顧臻團(tuán)隊(duì)于當(dāng)?shù)貢r(shí)間 5 月 10 日在?Nature Nanotechnology?上發(fā)表論文，題為《Bioorthogonal Catalytic Patch》（來(lái)源：受訪者）

此前，顧臻教授首次提出了能 “對(duì)癥下藥” 的 “智能微針貼片” 的概念，曾研發(fā)了血糖響應(yīng)性 “智能胰島素貼” 以及 “光子晶體微針”，分別可實(shí)現(xiàn)定量的胰島素釋放和可視化的葡萄糖監(jiān)測(cè)，為糖尿病患者帶來(lái)了福音。

生物正交催化貼劑：基于聚乙烯醇、二氧化鈦納米片以及 Pd 納米粒

生物正交反應(yīng)，通常指能夠在活細(xì)胞或組織生化環(huán)境下進(jìn)行的非天然化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)條件往往比較溫和。因此，通過(guò)生物正交反應(yīng)可以用來(lái)活體標(biāo)記生物分子以及活體內(nèi)合成活性物質(zhì)。

生物正交反應(yīng)往往需要用到一些金屬催化劑，例如過(guò)渡金屬元素鈀（Pd），其可以催化多種加氫還原過(guò)程。

然而，過(guò)渡金屬元素毒性大，有一定的免疫原性以及體內(nèi)代謝難等問(wèn)題限制了其臨床應(yīng)用。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，顧臻團(tuán)隊(duì)想到了微針技術(shù)。他們將常見催化劑 Pd 納米粒固定在微針上，微針在透皮給藥時(shí)，就能把 Pd 暴露在病灶部位進(jìn)行生物正交催化反應(yīng)。

顧臻告訴 DeepTech：“這項(xiàng)研究主要的挑戰(zhàn)有兩個(gè)，一個(gè)是微針基質(zhì)材料的選擇，另一個(gè)是如何把 Pd 納米粒很好地固定在微針上。”

在微針基質(zhì)材料方面，團(tuán)隊(duì)在經(jīng)過(guò)多種嘗試后，采用的是聚乙烯醇（PVA）。PVA 具有在體內(nèi)不會(huì)降解，與金屬氧化物顆粒相容性好以及無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)。

更難得是，PVA 含有獨(dú)特的微晶結(jié)構(gòu)，吸水能形成多孔的結(jié)構(gòu)。PVA 微針吸水后會(huì)呈現(xiàn)膨脹特性，并在 30 分鐘后達(dá)到飽和。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示，微針基體的表面和內(nèi)部可形成具有數(shù)微米到數(shù)十微米孔隙的三維網(wǎng)絡(luò)。

這種分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)有利于催化反應(yīng)的進(jìn)行，具體機(jī)制包括（1）促進(jìn)底物與催化位點(diǎn)的接觸；（2）促進(jìn)產(chǎn)物分子離開催化位點(diǎn)。

圖｜PVA 微針吸水后可形成多孔結(jié)構(gòu)（來(lái)源：受訪者）

他表示：“一開始，我們直接將 Pd 納米粒固定在微針上。然而前期研究發(fā)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)仍會(huì)有 Pd 的泄漏。最后我們發(fā)現(xiàn)在將 Pd 納米粒先固定在二氧化鈦納米片（TNSs）上，便可以牢牢地把 Pd 納米粒固定在微針基質(zhì)中。”

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把載有 Pd 納米粒沉積的 TNSs 的微針（PT-MNs）浸入到水里時(shí)，泄漏到水相的 Pd 僅占總量的 0.24%，可見穩(wěn)定性較高。

通過(guò) X 射線光譜分析，研究人員揭開了 TNSs “圈住” Pd 納米粒的 “神秘面紗”：TNSs 能通過(guò) Pd-O 共價(jià)鍵與 Pd 納米粒耦連。此外，TNSs 一定程度上還增加了微針的硬度，使其更容易進(jìn)入皮膚。

本研究所用的微針排列成 15 ×15 的陣列。SEM 圖像顯示，微針為錐體，基底直徑為 500 μm，高度為 1500 μm，尖端半徑為 10 μm，表面有較多突起。

圖｜PT-MNs 微針的微觀結(jié)構(gòu)（來(lái)源：受訪者）

生物正交催化貼劑的體外催化效應(yīng)

Pd 能夠催化 N – 烯丙氧羰基（alloc）的 “脫籠反應(yīng)”，根據(jù)此原理，顧臻團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種可視化的方法來(lái)考察 PT-MNs 的催化效應(yīng)。

羅丹明 110（RH 110）是一種發(fā)綠色熒光的染料，他們?cè)谶@種染料的末端氨基上修飾了 N – 烯丙氧羰基（alloc-RH 110）。alloc-RH 110 不具有熒光，但在 Pd 的催化下，能轉(zhuǎn)化成 RH 110，從而發(fā)出綠色熒光。

圖｜Pd 能催化 alloc-RH 110 生成 RH 110 （來(lái)源：受訪者）

研究表明，PT-MNs 能催化水溶液中的 alloc-RH 110 發(fā)出綠色熒光，熒光強(qiáng)度并隨著處理時(shí)間增加而增強(qiáng)。

進(jìn)一步，研究人員在黑色素瘤細(xì)胞 B16-F10 等細(xì)胞系的培養(yǎng)環(huán)境中添加了 alloc-RH 110。流式細(xì)胞術(shù)以及激光共聚焦表明隨著 PT-MNs 處理細(xì)胞的時(shí)間越長(zhǎng)，細(xì)胞內(nèi)的熒光強(qiáng)度越強(qiáng)。

生物正交催化貼劑：實(shí)現(xiàn)阿霉素的減毒增效

阿霉素（doxorubicin，DOX），又名多柔比星，是一種廣譜抗腫瘤藥物，其抗腫瘤機(jī)理是與 DNA 堿基結(jié)合，干擾轉(zhuǎn)錄過(guò)程抑制 DNA 復(fù)制和 RNA 合成，從而抑制腫瘤細(xì)胞的增殖。

目前臨床上主要還是通過(guò)系統(tǒng)給藥。然而，在殺傷腫瘤的同時(shí)，DOX 也會(huì)抑制正常細(xì)胞的增殖，尤其是增殖較快的細(xì)胞，這導(dǎo)致它會(huì)產(chǎn)生如心臟毒性，脫發(fā)，骨髓移植等的不良反應(yīng)。

為了降低 DOX 的全身毒性，顧臻團(tuán)隊(duì)采用了 “前藥” 設(shè)計(jì)手段：在 DOX 游離的氨基端被修飾上 N – 烯丙氧羰基（alloc）。

Alloc-DOX 本身的毒性較低，在 Pd 催化下會(huì)活化成 DOX 發(fā)揮抗腫瘤效應(yīng)。體外研究發(fā)現(xiàn)，alloc-DOX 與 DNA 結(jié)合效率比 DOX 低十幾倍，細(xì)胞毒性比 DOX 小 120 多倍。

那么 PT-MNs 能否像預(yù)想中一樣催化 alloc-DOX 生成 DOX 呢？

第一步該團(tuán)隊(duì)采用了黑色素瘤 B16-F10 細(xì)胞模型。流式細(xì)胞術(shù)和 TUNEL 測(cè)試發(fā)現(xiàn)，PT-MNs 和 alloc-DOX 聯(lián)合給藥會(huì)造成顯著的細(xì)胞凋亡，而單獨(dú)給任意一種處理則不會(huì)。

在處理組細(xì)胞培養(yǎng)上清中，研究人員檢測(cè)到了 DOX 分子，這說(shuō)明 PT-MNs 催化 alloc-DOX 生成 DOX 分子，從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。

接下來(lái)他們以黑色素瘤荷瘤小鼠為模型，考察 PT-MNs 的體內(nèi)催化效應(yīng)。

圖｜黑色素瘤小鼠給藥模型（來(lái)源：受訪者）

首先，他們比較了 alloc-DOX 和 DOX 的系統(tǒng)給藥毒性，利用小鼠的體重變化作為衡量藥物毒性的重要指標(biāo)。結(jié)果顯示，當(dāng) DOX 腹腔注射劑量?jī)H達(dá)到 10mg?kg-1（每 3 天給 1 次藥），小鼠已出現(xiàn)嚴(yán)重的體重下降；然而，當(dāng) alloc-DOX 注射劑量高達(dá) 150mg?kg-1?時(shí)，小鼠的體重僅減少了約 7.7%。

根據(jù)毒性耐受實(shí)驗(yàn)，等毒性的 alloc-DOX 和 DOX 兩者劑量相差 20 倍，即在保證同等安全性的前提下，alloc-DOX 的劑量可以比 DOX 更高，能起到更好的抗腫瘤效應(yīng)。

接下來(lái)，他們研究了在 PT-MNs 催化作用下，alloc-DOX 的抗腫瘤效應(yīng)。每次給藥前，先在小鼠的瘤周皮膚貼上 PT-MNs，一個(gè)小時(shí)后再腹腔注射藥物。

研究發(fā)現(xiàn)，PT-MNs 和 alloc-DOX 聯(lián)合給藥時(shí)，小鼠的腫瘤增殖速度減慢，腫瘤細(xì)胞呈現(xiàn)凋亡狀態(tài)；而 T-MNs 和 alloc-DOX 單獨(dú)給藥時(shí)，則并沒(méi)有這樣的腫瘤的治療效應(yīng)。

值得一提的是，等毒性劑量的 DOX 給藥組僅有較弱的抗腫瘤效應(yīng)。在停止給藥后，腫瘤增殖速度明顯加快。

圖｜不同處理下，小鼠腫瘤體積的變化（來(lái)源：受訪者）

進(jìn)一步，研究人員對(duì)小鼠的腫瘤組織，血漿以及重要臟器中 alloc-DOX 和 DOX 的濃度進(jìn)行了分析。

PT-MNs 和 alloc-DOX 聯(lián)合給藥時(shí)，腫瘤組織中的 DOX 濃度比 DOX 單獨(dú)給藥組高，而血漿以及重要臟器中的 DOX 濃度則明顯比 DOX 單獨(dú)給藥組低?？梢?PT-MNs 催化 alloc-DOX 得到的 DOX 主要分布在腫瘤組織。

圖｜不同處理下，各組織中 alloc-DOX 和 DOX 的濃度（來(lái)源：受訪者）

目前，顧臻團(tuán)隊(duì)已針對(duì)此申請(qǐng)了專利，后續(xù)將在大動(dòng)物身上做進(jìn)一步的研究。

談到 PT-MNs 是否能用于較深層的實(shí)體腫瘤，顧臻告訴 DeepTech：?“要實(shí)現(xiàn)深層實(shí)體瘤的治療，還需要在 PT-MNs 基礎(chǔ)上變化形態(tài)，使其能通過(guò)微創(chuàng)手術(shù)植入腫瘤組織并且在治療完還能方便取出。”

當(dāng)然，“腫瘤只是生物正交催化貼劑的一個(gè)范例，” 顧臻談到，“事實(shí)上，生物正交催化貼劑或是器件是一個(gè)新概念，它作為一種平臺(tái)技術(shù)，可以潛在用在多種場(chǎng)景中以及疾病模型中。而且也可以和免疫治療等聯(lián)用，通過(guò)活化免疫治療的一些小分子甚至大分子，從而實(shí)現(xiàn)更好的治療效果?！?/p>

來(lái)源：麻省理工科技評(píng)論