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韦恩州立大学曹智强Nature NBE：可注射、可生物降解两性离子凝胶！

时间：2023-10-29 来源： 浏览：

韦恩州立大学曹智强Nature NBE：可注射、可生物降解两性离子凝胶！

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糖尿病是一种不可治愈的疾病，它的治疗中心是胰岛素替代疗法，可以通过多次每天皮下注射或使用胰岛素泵来实施。与多次每天注射相比，连续皮下胰岛素注射（Continuous Subcutaneous Insulin Infusion，CSII）通过使用内置导管来满足不同的胰岛素需求，并提供改善糖尿病控制、降低胰岛素剂量要求和改善生活质量等一系列治疗优势。CSII已被全球超过一百万名1型糖尿病患者采用，并在一些国家也推荐用于2型糖尿病患者。

然而，当前CSII导管的发展相对有限，导致导管仍然存在一些问题，包括皮肤刺激、导管堵塞和糖尿病控制不佳。现有导管需要每2-3天更换和旋转插入位置，这给使用者带来不便和高昂的费用，并不能与皮下植入式连续葡萄糖监测仪（CGM）的佩戴时间相匹配。因此，迫切需要提高当前导管的使用寿命，但迄今为止几乎没有有效的策略。
2023年10月26日， 韦恩州立大学 曹智强教授 等人， 使用一种可生物降解的两性离子乳膏凝胶材料（zwitterionic cream gel）来覆盖商用CSII导管的尖端能够有效解决早期的皮肤刺激问题，延长导管的使用寿命，提高胰岛素的吸收速度 。这种方法不仅在糖尿病小鼠中实现了长达6个月的效果，还在糖尿病迷你猪中将导管的使用寿命从2天延长到了13天。该研究还表明，这种植入的凝胶材料具有抗炎和抗异物反应的特性，同时促进了局部新血管的形成。这一方法是在导管尖端插入皮下之前进行皮下注射，可用于改善CSII导管以及其他可植入设备的性能。该研究成果以“An injectable and biodegradable zwitterionic gel for extending the longevity and performance of insulin infusion catheters”为题，发表在 Nature Biomedical Engineering 期刊上。第一作者是韦恩州立大学的 Ershuai Zhang 。
【两性离子乳膏凝胶】
未经处理的胰岛素输注导管会引发宿主异物反应，导致皮肤问题和随时间损害的胰岛素吸附。目前的商用CSII导管需要每2-3天更换和旋转插入位置以避免这些问题。两性离子乳膏凝胶可以通过无菌针头皮下注射，然后商用输注导管可以通过两性离子乳膏凝胶注射所创建的孔穿过皮下插入。插入后，插入导管的尖端被事先注射的两性离子乳膏凝胶包围，可以解决导管引起的宿主异物反应（减少早期炎症和晚期纤维化，并促进导管周围新的血管形成）。这完全解决了早期皮肤刺激问题，延长了导管的使用寿命并提高了胰岛素吸收速度。
图1 | 可注射的两性离子乳膏凝胶示意图，实现输注导管的长期使用和更快的胰岛素吸收。
【两性离子乳膏凝胶缓解了早期的炎症反应和皮肤刺激】
1. 制备两性离子乳膏凝胶：首先，研究人员制备了两性离子聚合物的大块水凝胶（bulk hydrogel），然后通过研磨和反复挤压不同规格的针头，将其处理成奶油状凝胶（cream gel）。这种奶油状凝胶的颗粒直径在120-200微米之间，可以通过26号针头注射。制备两性离子乳膏凝胶的整个过程相对简单，不涉及复杂的化学反应，易于进行规模化制备并实施所需的灭菌。此外，可以通过改变使用的针头规格来轻松调整两性离子乳膏凝胶的颗粒大小。
2. 对比试验：研究人员采用了商业的Silhouette输液套装，并将其分解，获得输液导管部分，然后将其完全植入健康小鼠的皮下组织中。对于两性离子乳膏凝胶处理组，研究人员首先将两性离子奶油凝胶注射到皮下，然后放置导管，使凝胶位于导管末端周围，用以进行修饰。未经处理的导管组在植入后的三天内周围出现了多处皮肤划痕，表明皮肤刺激是由植入的导管引起的。与之相反，两性离子乳膏凝胶处理组未出现任何皮肤划痕，完全抑制了由商业导管引起的皮肤刺激。
3. 炎症反应分析：为进一步探讨导管引起的皮肤刺激及两性离子乳膏凝胶的作用机制，研究人员在导管植入后不同时间点定量分析了组织内炎症性细胞因子。结果显示，在植入后的三天，未经处理的导管引发了强烈的炎症反应，表现为肿瘤坏死因子-α（TNFα）、白细胞介素-1β（IL-1β）和白细胞介素-12（IL-12）的显著增加，这些都是公认的促炎标志物。特别是，TNFα已被报道在小鼠中通过外周和中枢机制在急性和慢性瘙痒中发挥关键作用。与之相反，两性离子乳膏凝胶处理的导管组中，这些促炎标志物显著减少，水平与未经植入的对照组相似。此外，抗炎症细胞因子白细胞介素-4（IL-4）的表达在植入后第7天在两性离子乳膏凝胶处理组中升高，而在未经处理的导管组和没有植入的对照组中则没有升高。这些结果表明，两性离子乳膏凝胶在一定程度上具有抗炎作用，显著抑制了导管引起的炎症，从而完全解决了皮肤刺激问题。

图2 | 两性离子乳膏凝胶完全解决了早期的炎症反应和皮肤刺激。a，商用Silhouette输注套装被拆卸，并且塑料输注导管被完全植入皮下。b，由大块两性离子水凝胶制备的两性离子乳膏凝胶可以用作导管与皮下组织之间的治疗。c，拆卸的胰岛素输注导管被植入小鼠皮下。d，皮下植入3天后，发现未经处理的商用导管的患者周围出现了几处划痕，但未经观察到两性离子乳膏凝胶处理和模拟手术组（通过切口创建了皮下袋，但未植入导管）。

【两性离子乳膏凝胶改善了CSII的长期效果和性能】

研究还验证了两性离子乳膏凝胶在不同类型的糖尿病模型中的效果，包括非糖尿病小鼠，新诱导的糖尿病小鼠以及中患有长期糖尿病历史的小鼠模型。实验结果表明，两性离子乳膏凝胶能够在不同的模型中提高导管的效果，包括改善胰岛素吸收和减轻组织炎症反应。

· 改善导管的长期效果：这项研究发现，在非糖尿病小鼠，新诱导的糖尿病小鼠以及中患有长期糖尿病历史的小鼠中，采用两性离子乳膏凝胶对CSII导管进行改良，能够显著提高导管的使用寿命。传统的导管使用常常受到皮肤刺激的困扰，以及胰岛素吸收不一致和导管堵塞的问题。两性离子乳膏凝胶的使用解决了导管引起的皮肤并发症，改善了导管的长期效果，从而允许患者更长时间地佩戴导管。

· 促进快速的胰岛素吸收：与传统皮下注射相比，两性离子乳膏凝胶处理导管可以促进更快的胰岛素吸收。这项研究为改善胰岛素疗法的快速作用提供了新策略，而目前的努力主要集中在改进胰岛素本身，而这是一项昂贵且受到高度监管的研究和开发。

· 缓解早期皮肤刺激和改善血管生成：两性离子乳膏凝胶能够减少导管引起的早期皮肤刺激，这对于长期使用导管的患者来说是一项显著的改进。此外，两性离子乳膏凝胶还能够促进新血管的形成，维持高密度的血管环绕导管，从而促进了身体和导管之间的物质传输。

图3 | 两性离子乳膏凝胶使非糖尿病的C57BL/6小鼠能够长期使用输注导管，并实现更快的胰岛素吸收。a，注射胰岛素（2 IU/kg）通过完全植入导管的腔内，随着植入后第30和第90天的血糖、达到最低血糖的时间和血清胰岛素浓度。用同样剂量的皮下注射胰岛素的小鼠作为对照（n = 6动物，均值± s.d.）。b，不同植入后时间点达到最低血糖的时间（n = 6动物，均值± s.d.）。虚线表示每组实现最低血糖所需的平均时间趋势。当六只动物中的两只或更多动物具有阻塞的导管时，趋势会趋向无穷大。c，d，不同组在植入后第14、第30和第90天对SC植入导管周围组织的Masson三色染色图像（c）和MECA-32抗体（d）染色的血管（棕色）。作为对照使用了未进行植入手术的小鼠皮肤组织样本。e，SC植入导管周围的血管密度在不同植入后时间点（n = 6生物独立样本，均值± s.d.）。

图4 | 两性离子乳膏凝胶使新诱导的糖尿病C57BL/6小鼠能够长期使用胰岛素输注导管并实现更快的胰岛素吸收。a，注射胰岛素（4 IU/kg）通过完全SC植入导管的腔内，随着植入后第30和第90天的血糖、达到最低血糖的时间和血清胰岛素浓度。用同样剂量的皮下注射胰岛素的小鼠作为对照（n = 6动物，均值± s.d.）。b，不同植入后时间点达到最低血糖的时间（n = 6动物，均值± s.d.）。虚线表示每组实现最低血糖所需的平均时间趋势。当六只动物中的两只或更多动物具有阻塞的导管时，趋势会趋向无穷大。c，d，不同组在植入后第14、第30和第90天对SC植入导管周围组织的Masson三色染色图像（c）和MECA-32（d）染色的血管（棕色）。作为对照使用了未进行植入手术的小鼠皮肤组织样本。e，SC植入导管周围的血管密度在不同植入后时间点（n = 6生物独立样本，均值± s.d.）。

图5 | 两性离子乳膏凝胶使患有3个月糖尿病史的小鼠能够长期使用胰岛素输注导管并实现更快的胰岛素吸收。a，实验设置的示意图。使用STZ诱导的糖尿病C57BL/6小鼠，在SC植入之前未经治疗3个月。在植入后的不同时间点，每只动物通过完全SC植入导管接受4 IU/kg胰岛素，以监测血糖和血清胰岛素水平来评估胰岛素吸收。随后，导管和周围组织被取出进行组织学分析。b，注射胰岛素后，植入后第30和第90天的血糖、达到最低血糖的时间和血清胰岛素浓度。用同样剂量的皮下注射胰岛素的小鼠作为对照（n = 6动物，均值± s.d.）。c，不同植入后时间点达到最低血糖的时间（n = 6动物，均值± s.d.）。虚线表示每组实现最低血糖所需的平均时间趋势。当六只动物中的两只或更多动物具有阻塞的导管时，趋势会趋向无穷大。d，e，不同组在植入后第14、第30和第90天对SC植入导管周围组织的Masson三色染色图像（d）和MECA-32（e）染色的血管（棕色）。作为对照使用了未进行植入手术的小鼠皮肤组织样本。f，SC植入导管周围的血管密度在不同植入后时间点（n = 6生物独立样本，均值± s.d.）。

【在糖尿病小鼠中在实际泵疗条件下的评估】
将这种两性离子乳膏凝胶材料注射到小鼠的皮下后，将输注导管插入小鼠的皮下，并通过粘附剂固定在皮肤上。然后，这些小鼠使用带有两性离子乳膏凝胶材料的导管进行胰岛素泵疗法，包括基础胰岛素连续输注和多次脉冲式胰岛素输注。研究发现，在使用两性离子乳膏凝胶材料的小鼠中，胰岛素的吸收效果更好，而未经处理的导管则表现出明显的延迟效应。 此外，研究还表明，使用两性离子乳膏凝胶材料的导管在连续使用14天后仍然保持其功能， 而未经处理的导管则可能引起皮肤问题，需要干预。研究结果表明，这种两性离子乳膏凝胶材料在缓解导管引起的皮肤刺激、延长胰岛素输注导管的寿命以及促进胰岛素吸收方面具有强大的效果。

图6 | 两性离子乳膏凝胶在实际泵疗条件下在糖尿病小鼠中保持了存在和功能。a，皮下凝胶注射，然后通过输注线连接的SC导管插入和胰岛素泵连接。b，SC插入导管周围组织的Masson三色染色图像示例，有或没有两性离子乳膏凝胶处理，插入后第14天。c，实验设置的示意图。新诱导的糖尿病C57BL/6小鼠在插入输注导管后进行了每天连续的基础胰岛素输注，加上14天的三次推注。在插入后的第7天和第14天进行了一次推注，以监测胰岛素吸收。d，通过胰岛素泵注射2 IU/kg胰岛素后的血糖和达到最低血糖的时间，分别在SC导管插入后的第7和第14天。用同样剂量的皮下注射胰岛素的小鼠作为对照（n = 3动物，均值± s.d.）。

【在糖尿病猪中在实际泵疗条件下的评估】
研究使用糖尿病哥廷根迷你猪模型来模拟人类胰岛素泵疗法条件。在实验中，首先将两性离子乳膏凝胶注射到猪腹部皮下组织，然后通过两性离子乳膏凝胶注射创造的孔道将输注导管插入皮下，而无需额外的引入针。插入的导管与输注线相连，并通过粘附剂固定在皮肤上，确保导管稳固固定。与人类泵疗法类似，插入的输注套装连接到商用胰岛素泵，然后使用特制夹克进行固定，以防止由于动作而移位。
在这个模型中，糖尿病迷你猪通过SC-inserted CSII set进行日常泵疗法，包括基础胰岛素连续输注和每日两次额外的脉冲式胰岛素输注，以模拟人类胰岛素泵治疗。结果显示，未经处理的商用导管在3天内阻塞，大多数在48小时内发生阻塞。与这些商用导管不同的是，使用两性离子乳膏凝胶处理的导管的使用寿命明显延长，平均超过13天，是目前商用导管需要每2-3天更换一次的情况的七倍以上。这个显著的延长使用寿命意味着处理过的导管现在可以与先进的连续葡萄糖监测系统（CGM） 14天的使用寿命相匹配，用于闭环胰岛素管理。
此外，研究还评估了通过皮下插管的胰岛素吸收，结果表明使用两性离子乳膏凝胶处理的导管导致胰岛素更快地吸收，相对于皮下注射的胰岛素，达到血清胰岛素峰值所需的时间缩短了至少40分钟。这意味着两性离子乳膏凝胶可能成为一种新的快速作用胰岛素治疗策略，超越了目前通过开发比天然胰岛素更快吸收的胰岛素类似物的限制。
最终，研究还表明，在扩展的使用寿命期间，未经处理的导管可能引起皮肤问题和炎症反应，而使用两性离子乳膏凝胶处理的导管则没有引起这些问题，甚至在14天后仍然保持其功能。此外，两性离子乳膏凝胶还促进了新的血管形成，为体内和皮下插管部位之间的物质传输提供了潜在的加速效果。

图7 | 两性离子乳膏凝胶使糖尿病猪能够长期使用皮下输注导管并实现更快的胰岛素吸收。a，实验设置的示意图。STZ诱导的糖尿病迷你猪接受SC输注导管插入，随后进行连续基础Humulin R U-100（Eli Lilly）注射，剂量为0.8-1.0 IU/h，并在餐食期间每天通过SC插入的CSII套装使用Medtronic MiniMed 670 G泵进行两次额外的推注（每次39μl）。在预定的时间点进行推注（0.2 IU/kg Humulin R）以评估胰岛素PK，以确定插入的输注导管是否仍在工作。b，SC输注导管插入到猪腹部SC组织中，有或没有两性离子乳膏凝胶处理，并通过输注线连接到胰岛素泵；在猪身上放置了一个带有泵口袋的定制外套。c，治疗和未经治疗组中SC插入导管的长寿命（无阻塞）（n = 3动物，均值± s.d.）。统计分析使用双尾t检验。d，e，通过SC插入导管进行SC插入后第2（d）和第7天（e）泵推注Humulin R U-100（0.2 IU/kg）后的血糖和血清胰岛素浓度。用相同剂量的皮下注射Humulin R U-100的猪作为对照（n = 3动物，均值± s.d.）。在治疗和SC对照组之间使用双尾t检验进行统计分析。f，在SC插管插入后的第7天，胰岛素浓度归一化。每只猪的PK都被个体归一化到峰值浓度，然后对归一化胰岛素浓度进行平均，以比较给药后上升过程中峰值高度的50%的归一化峰值时间（峰值上升的50%时间）、达到峰值胰岛素浓度的时间以及达到峰值浓度之后峰值下降的50%的归一化峰值时间（峰值下降的50%时间）（n = 3动物，均值± s.d.）。统计分析使用双尾t检验。g，SC插入导管周围组织的H&E和Masson三色染色图像，有或没有两性离子乳膏凝胶处理。h，SC插入导管周围组织的抗CD31免疫组织化学染色图像，有或没有两性离子乳膏凝胶处理。箭头指示两性离子乳膏凝胶处理的导管周围新形成的血管。

【对可降解两性离子乳膏凝胶在糖尿病猪中的评估】
研究人员进行了针对糖尿病治疗的实验，首先在小鼠和猪模型中评估了这种凝胶的性能，然后还开发了一种可降解的版本进行了评估。研究结果显示，两性离子乳膏凝胶能够有效减轻与目前用于糖尿病治疗的CSII导管相关的早期炎症反应和皮肤并发症，显著提高了导管的使用寿命。在标准胰岛素泵治疗条件下，无论是可降解的还是不可降解的两性离子凝胶治疗，都能够显著提高皮下插入导管的使用寿命，从原本的2天增加到至少13天。两性离子凝胶治疗还使胰岛素更快地被皮下插入导管吸收。与传统的皮下注射相比，这种凝胶治疗可以使血清胰岛素浓度的峰值提前至少30分钟，从而更好地实现紧密的血糖控制。这种凝胶表现出抗炎、抗纤维化反应以及促进新血管生成的功能，从而大幅提高了医疗设备的效果。

图8 | 可降解凝胶使糖尿病猪能够长期使用皮下输注导管并实现更快的胰岛素吸收。a，实验设置的示意图以及参与此研究的两只猪。通过可降解两性离子乳膏凝胶或PEG水凝胶处理，将输注导管插入到猪腹部的SC组织中，然后通过输注线连接到胰岛素泵。在猪身上放置了一个带有泵口袋的定制外套。STZ诱导的糖尿病迷你猪接受标准泵疗。在预定的时间点，进行推注（0.2 IU/kg Humulin R）以评估胰岛素PK，以确定插入的输注导管是否仍在工作（n = 2动物）。b，可降解两性离子乳膏凝胶和PEG处理组和未经处理组中SC插入导管的长寿命（无阻塞）（n = 2动物，数据呈现为均值）。统计分析使用一元ANOVA与图基多重比较。c，SC插入导管插入后第7天，经SC插入导管泵推注Humulin R U-100（0.2 IU/kg）后的血糖和血清胰岛素浓度，以及相应的AUC（n = 2动物，数据呈现为均值）。使用相同剂量的皮下注射Humulin R U-100（SC注射）的猪作为对照（n = 3动物，数据呈现为均值± s.d.）。在可降解凝胶处理组和SC对照组之间使用双尾t检验进行统计分析。d，非可降解和可降解两性离子乳膏凝胶处理组中SC插入导管的长寿命（无阻塞）（非可降解凝胶处理组中n = 3动物，数据呈现为均值± s.d.；可降解凝胶处理组中n = 2动物，数据呈现为均值）。双尾t检验分析用于统计分析。e，非可降解和可降解凝胶处理组中插入SC导管后第7天归一化血清胰岛素浓度的比较，用于分析给药后上升过程中的峰值高度的50%的归一化时间（峰值上升的50%时间）、达到峰值胰岛素浓度的时间以及达到峰值浓度之后峰值下降的50%的归一化峰值时间（峰值下降的50%时间）（非可降解组中n = 3动物，数据呈现为均值± s.d.；可降解组中n = 2动物，数据呈现为均值）。双尾t检验分析用于统计分析。

【小结】
总之，研究中提出了一种可生物降解的两性离子凝胶，这种凝胶成功解决了CSII导管导致的早期皮肤刺激问题，它将导管的使用寿命延长，不仅在小鼠模型中达到了超过6个月，还在糖尿病猪模型中将使用寿命从2天延长到13天，同时保持了标准的CSII胰岛素泵疗法。这种凝胶还改善了胰岛素吸收速度，使其明显快于传统的皮下注射，在机制上具有抗炎症和抗异物反应的特性，并促进了新的血管形成。凝胶在导管插入之前进行皮下注射，适用于CSII导管和其他植入设备，可以提高设备性能。这项研究为改进糖尿病管理中的CSII技术提供了一种有前景的解决方案，有望提高患者的治疗效果，减轻皮肤问题，并延长设备的使用寿命，而无需昂贵的药物开发。
--纤维素推荐--
--荐号--

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41551-023-01108-z

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