美科學家開發出無痛的皮膚貼片：有望用於治療糖尿病！

導讀

美國國立衛生研究院生物醫學成像和生物工程國立研究所設計出一種創新的生物醫學方案，使得血液中的礦物複合物相互作用，一次可調節血糖數天。在一項於老鼠身上展開的概念驗證研究中，研究人員採用由生化反應設計出的可溶性微針，響應血液化學，自動控制血糖。

背景

近日，國際糖尿病聯盟公布了第八版的全球糖尿病地圖。結果顯示，全球糖尿病成人患者（20-79歲）從2000年的1.51億，到2017年已達到4.25億，增加近2倍。預計到2045年，糖尿病患者可能達到6.29億。

持續監測血糖值對於糖尿病患者的健康來說尤為關鍵。因此，餐前指尖采血以及胰島素注射是必要的檢查和治療手段，但是上述過程往往會為患者帶來創傷以及不舒服的體驗。

然而，以前筆者介紹過韓國首爾基礎科學研究院的研究人員採用石墨烯材料製成的柔性可穿戴設備（腕帶）檢測和治療糖尿病的方案。當糖尿病人佩戴腕帶后，腕帶將會檢測皮膚上的汗液，並通過感測器檢測患者的汗液溫度和pH值，分析出血糖值，並通過無線方式將血糖數據傳輸至智能手機，供患者參看。然後，智能手機會根據血糖值計算出給藥量。一旦發現血糖值偏高，腕帶中的加熱器就會加熱並分解塗層，至41攝氏度時，微針就暴露出來，釋放出二甲雙胍，降低血糖值。而這個微針造成的創傷非常小，人體幾乎感覺不到。

（圖片來源：Hui Won Yun / 首爾大學）

創新

最近，美國國立衛生研究院（NIH）生物醫學成像和生物工程國立研究所（NIBIB）設計出一種創新的生物醫學方案，使得血液中的礦物複合物相互作用，一次可調節血糖數天。在一項於老鼠身上展開的概念驗證研究中，研究人員展示了由生化反應設計出的可溶性微針，響應血液化學，自動控制血糖。

（圖片來源：參考資料【2】）

技術

NIBIB 科學主任 Richard Leapman 博士表示，2型糖尿病患者仍可以產生出一些胰島素。胰島素是一種在胰腺中產生的激素，並可以分泌到血液中，根據攝取的食物調節血糖。胰島素需要將葡萄糖從血液中移動到細胞中，在細胞中血糖會被轉化為能量或者存儲下來。1型糖尿病，多發於兒童和青少年，患者身體根本不會產生任何胰島素。而2型糖尿病，可發生於任何年齡段，但是多發於成年人，會逐步減少身體產生或者使用胰島素的能力。如果未得到治療，糖尿病將帶來全身血管和神經的損傷，使得眼睛、足部、腎臟和心臟的功能受到影響。

所有糖尿病患者中，90%是2型糖尿病。許多人都需要採用胰島素治療，胰島素治療通常是通過皮下注射適量胰島素進行。而這個量是血液中自然生成的胰島素量的虧空所決定的。胰島素療法在半數糖尿病人當中效果不是太好。

分子成像和納米醫學實驗室的高級研究員 Xiaoyuan (Shawn) Chen 領導的NIBIB 研究人員，致力於採用一種替代療法調節2型糖尿病患者的血糖水平，就是使用這種無痛的皮膚貼片。2017年11月24日，在線發表於《自然通信》雜誌上的研究表明，團隊對於老鼠採用這種療法，演示了該療法的潛在效力。

這種實驗級貼片的基礎是一種稱為「藻酸鹽」（alginate）的材料，它是一種可以從褐藻中提取的膠狀自然物。它與治療藥物混合，倒入微針中，製成貼片。Chen 表示，藻酸鹽是一種柔韌的材料，它是軟的，也不是太軟。它必需能夠戳入真皮中，雖然不是一種通用的針材料，在這個案例中，它似乎工作地很好。

（圖片來源：參考資料【2】）

Chen 的團隊在藻酸鹽中加入一種生物化學粒子配方，它在必要時會刺激身體自身的胰島素生產，當到達正常的血糖濃度時，會削減胰島素的刺激作用。貼片的應激傳遞系統能夠滿足身體幾日的需求，而不是一次用完。

Chen 表示，糖尿病是一種非常嚴重的疾病，也影響了許多人。每個人都在尋找一種長效配方。

Chen 的配方將兩種藥物成分：exendin-4 和葡糖氧化酶放到貼片中。這兩種成分與血液化學起反應，促進胰島素分泌。每種成分與一種磷酸鹽礦物顆粒相匹配，這種顆粒可以在需要時穩定成分。當糖濃度升高時產生的酸性，通過某種礦物中的藥物成分，而不是其他礦物，弱化鍵合。

Exendin-4 與身體產生的分子的基因組成相似，並且在有食物攝取時在腸道中分泌。儘管它相對於自然產生的分子來說有點弱，團隊選擇採用Exendin-4，是因為Exendin-4在一個小時甚至更長時間內不會在血液中降解，所以在釋放後會具有長期持久的作用。然而，如果吸收太多，它會引起噁心。為了控制它的吸收速度，研究人員將exendin-4與磷酸鈣礦物顆粒相結合，穩定它直到另外一種化學反應發生為止。那個化學反應就是由貼片中的第二個化學成分：葡糖氧化酶引起，它存在於磷酸銅礦物緩衝劑中。

Chen 解釋道，當血糖高於某個準確的值時，它會觸發磷酸銅與葡萄糖氧化酶之間的反應，從而產生出輕微的酸性，使得磷酸鈣釋放出一些exendin-4 。血糖水平上升會觸發exendin-4 釋放，但是然後exendin-4 會促使胰島素流動降低血糖水平，這樣又減緩和阻止了exendin-4釋放。

價值

這種一周一次的微針貼片應用，相對於需要經常進行血液測試的方法，將會簡單一些，並且疼痛較輕。

Chen 表示，這也就是為什麼我們稱之為響應型或者智能的釋放。目前，大多數的現有方案都是恆定釋放。在需要時，我們的方案會創造出一波快速釋放，然後在血糖水平穩定時，降低或者甚至停止釋放。

未來

研究人員演示了約半平方英寸的貼片，它含有充足的藥物控制血糖水平達一周。為了讓該方案可以發展為2型糖尿病患者能採用的方式，團隊將展開測試，利用含有按比例算更多的治療性成分的貼片，治療更大型的動物。除了尺寸，貼片也需要改變以便應用於人類皮膚，很可能需要更長的針。

Chen 表示，我們需要按比例增加貼片尺寸，優化針的長度、形狀和形態。此外，貼片還需要與日常生活相適應，例如淋浴或者出汗的狀況。Chen 受到他成功的實驗以及其他實驗型微針貼片開發者的鼓舞。例如，其他人已採用含有胰島素的微針裝置完成了針對人類的早期研究，對於1型和2型糖尿病患者都有效。他希望從這些設備的開發中汲取經驗，並應用於在這項研究中他們團隊測試的微針貼片。

關鍵字

醫療、糖尿病

參考資料

【1】http://en.nagoya-u.ac.jp/research/activities/news/2017/12/development-of-a-nanowire-device-to-detect-cancer-with-a-urine-test.html

【2】http://advances.sciencemag.org/content/3/12/e1701133

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