文獻解讀|靈活的瞬時生物電子系統(tǒng)實現(xiàn)多功能主動控制藥物輸送
文獻背景
植入式給藥系統(tǒng)（DDSs）在局部按需給藥和治療中發(fā)揮著重要作用。結合材料和結構的設計，DDSs可以滿足各種病理環(huán)境下的藥物釋放需求，如皮下、肌肉、血管和大腦環(huán)境。現(xiàn)有的DDSs大多是被動釋放的，只能通過物質與環(huán)境的相互作用實現(xiàn)藥物的泄漏和擴散，不能精確地控制藥物釋放時間和速率?，F(xiàn)有多數裝置在功能和結構上是同質的，不能針對復雜的病理環(huán)境進行雙重或多種治療，多數是基于不可生物降解的材料，在藥物釋放后不能全部降解。理想的主動控制給藥裝置應確保藥物在釋放前零泄漏，藥物全部釋放后在體內全部降解；可以響應刺激快速釋放藥物；具有廣譜的載藥和多功能遞送能力來滿足不同病理環(huán)境的植入需求。
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(tǒng)（ADDS），其可以根據電偶腐蝕理論主動控制藥物釋放。該系統(tǒng)以電作為控制方法，鎂（Mg）和聚乳酸/聚乳酸-羥基乙酸（PLA/PLGA）為給藥材料，可快速、精確地控制藥物釋放。通過串聯(lián)Mg閥可實現(xiàn)同一藥物的脈沖釋放或不同藥物的順序釋放。因此該系統(tǒng)可構建藥物釋放平臺向病理環(huán)境遞送不同的藥物。Mg和PLA/PLGA具有良好的生物相容性和可降解性，在給藥后可被全部降解和吸收，無需移除，可避免手術引起的二次損傷。
基本信息
摘要
按需給藥系統(tǒng)（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(tǒng)（ADDS），可以通過失活Mg閥門植入各種組織來實現(xiàn)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。通過設計具有串聯(lián)Mg閥的結構并將其沿z軸方向對齊來構建多個腔室，使系統(tǒng)以脈動或順序的方式輸送藥物。整個系統(tǒng)的生物降解性最大限度地減少了ADDS的潛在副作用，在大鼠體內的應用證實了其在體內進行脈沖給藥的能力。細胞和體外血管生物反應器表明該系統(tǒng)具有良好的生物相容性和雙時間線給藥能力。這種多功能ADDS將在治療慢性病和有并發(fā)癥疾病的精確給藥方面發(fā)揮重要作用。
研究內容及結果
1.ADDS的設計與應用
ADDS主要由載藥的PLGA蓋、一對鎂箔電極、多個由PLA形成的藥物儲存室和用于封裝的PLA背襯膜組成（圖1a）。ADDS可以通過改變結構和形狀來實現(xiàn)更多的功能和應用（圖1b）。ADDS可以對體外電刺激產生反應，并以脈動方式傳遞藥物（圖1c）。圖1d是植入用于皮下給藥的ADDS示意圖。圖1e是用于血管內皮損傷修復的藥物遞送系統(tǒng)示意圖。
圖1
2.單閥ADDS的結構及系統(tǒng)工作流程
該系統(tǒng)由PLA膜儲藥室、PLA蓋、PLA膜基質和鎂箔閥組成。夾在PLA膜結構中的兩個Mg電極作為系統(tǒng)的陽極和陰極，藥物被隔離在由鎂箔、儲存室和基質組成的藥物儲存室中（圖2a）。該系統(tǒng)具有薄、透明、靈活等特性，可將儲藥室中隔離的大量藥物輸送出去（圖2b）。圖2c是控制藥物釋放的單閥ADDS操作的示意圖。當腐蝕超過閥門厚度時，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閥表面被腐蝕。160s后，Mg閥表面腐蝕嚴重，邊界區(qū)出現(xiàn)明顯缺陷，閥門全部打開，閥門背面的腐蝕明顯，主要集中在邊緣區(qū)域（圖3a）。3D光學輪廓儀掃描樣品量化了Mg閥相對高度的變化（圖3b）。隨偏置時間的延長，閥門表面相對低空面積增大，Mg閥的高度在閥與PLA邊界的接觸區(qū)間內逐漸降低，Mg閥的表面形貌變化超過其厚度導致閥門開啟。閥門開啟主要由縫隙腐蝕引起，以邊界區(qū)域為主（圖3c）。固定Mg閥的面積和厚度，施加電壓越高反應越快，導致閥快速開啟（圖3d）。固定電壓和閥門厚度，閥門開啟時間與閥門面積成正比（圖3e）。固定閥門面積和外加電壓，閥門厚度與開啟時間成正比（圖3f）。不同外加電壓下的藥物釋放曲線趨勢相同，電壓對牛血清蛋白（BSA）釋放動力學無顯著影響（圖3g）。藥物釋放速率與閥門面積成正比（圖3h）。不同閥門厚度的藥物釋放動力學無顯著差異（圖3i）。
圖3
4.ADDS的多功能性
將Mg閥串聯(lián)折疊交替排列形成多個封閉儲藥室，各儲藥室在空間上疊加最終得到多閥ADDS（圖4a，b）。閥門、藥物和儲存室呈三明治狀堆疊（圖4c）。多閥ADDS可裝載相同的藥物以脈動方式給藥（圖4d）。閥門觸發(fā)后，累積藥物釋放曲線逐步增加，分別達到100%、167%和207%，沒有電刺激時ADDS沒有藥物泄漏（圖4e）。當不同的藥物被裝載在藥物儲存室時可順序釋放多種藥物（圖4f）。將牛血清白蛋白（BSA）、骨碎補總黃酮（OTF）和阿霉素（DOX）裝入多閥儲存室。Mg閥依次打開后，BSA、OTF和DOX分別以72%、59%和28%的釋放量迅速釋放（圖4g）。
圖4
5.多功能ADDS體內給藥性能研究
將ADDS植入大鼠背部驗證其體內給藥的脈沖釋藥功能（圖5a，b）。當電壓觸發(fā)Mg閥開啟時，NONOates（Diazeniumdiolates）進入大鼠血液，迅速釋放NO（圖5c）。每隔60分鐘向ADDS施加3V電壓，持續(xù)2分鐘，觸發(fā)閥門打開并釋放二乙烯三胺（DETA）NONOates（圖5d）。大鼠血中NO濃度在ADDS開啟和靜息期間隨閥門開啟呈先升高后降低的波動趨勢（圖5e）。
圖5
6.ADDS的雙時間線給藥
將血管內皮生長因子（VEGF）載入ADDS儲存室中，將紫杉醇（PTX）載入PLGA儲存室中。觸發(fā)閥門后，175 ng的VEGF迅速釋放，1 h后，VEGF釋放總量為300 ng（圖6a）。PLGA內的PTX可以釋放長達63天或更長時間（圖6b）。PTX的釋放在第一周比之后的階段更低、更慢（圖6c）。提取物與人臍靜脈內皮細胞（HUVECs）共培養(yǎng)24 h后，第1 h、第1 d和第3 d組細胞密度均高于對照組。共培養(yǎng)72 h后，1 h和1 d組保持相同趨勢，3 d組細胞密度略有下降（圖6d）。圖6e是HUVECs的吖啶橙/溴化乙錠（AO/EB）染色結果。將人臍動脈平滑肌細胞（HUASMCs）與提取物共培養(yǎng)，只有7 d組在共培養(yǎng)24 h后顯著抑制HUASMCs的增殖。72 h后，各組HUASMCs的增殖均明顯受到抑制（圖6f，g）。實驗組HUVEC劃痕的愈合率明顯高于對照組（圖6h）。實驗12 h和24 h后，實驗組HUASMC劃痕的愈合率明顯低于對照組（圖6i）。
圖6
7.添加劑在生物反應器中的血管修復性能
生物反應器系統(tǒng)由血管室、循環(huán)管、電源、用于流體交換的三通接口和培養(yǎng)箱組成（圖7a）。介質通過三通口注入反應器。并通過蠕動泵在血管內和血管外循環(huán)（圖7b）。與對照組相比各實驗組的管腔面積均顯著增加（圖7c）。損傷后在生物反應器中培養(yǎng)7 d的血管作為EV1；血管植入ADDS培養(yǎng)7 d的血管作為EV2。各實驗組中EV2的管腔面積增加幅度明顯小于EV1（圖7d）。與對照組相比，EV1的內膜和中膜厚度明顯減少，EV2的厚度與對照組相比無顯著差異（圖7e）。各組均有不同程度的細胞凋亡（圖7c）。EV1細胞凋亡率明顯高于其他各組，EV2細胞凋亡率與對照組相比無顯著差異（圖7f）。
圖7
結論
該研究構建了一種新型串聯(lián)Mg閥結構，用可生物降解的PLGA/PLA薄膜封裝。該設計簡化了多個控制單元的負擔，縱向分布的結構減少了系統(tǒng)的面積和體積，允許ADDS僅通過一個控制單元執(zhí)行多種功能，優(yōu)異的靈活性和彎曲折疊能力可適應不同的組織和器官形態(tài)。ADDS小型化可適應小尺寸的組織/器官執(zhí)行多功能藥物遞送任務。靈活的瞬態(tài)ADDS可實現(xiàn)快速響應脈沖釋放、順序釋放和雙時間線給藥功能。ADDS在需要多次、多類型、長期和短期藥物聯(lián)合治療的慢性疾病中具有很好的應用前景，在小尺寸組織/器官的給藥方面也具有顯著的優(yōu)勢。結合微生物可降解無線控制裝置，改進制造工藝，可使系統(tǒng)更加小型化和智能化，進一步拓展系統(tǒng)在個性化可穿戴給藥領域的應用前景。
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