可替代胰岛素注射的智能胰岛素贴片

　　来自美国北卡罗来纳大学和北卡罗来纳州立大学的研究人员最近发明了一种智能胰岛素贴片，可以监测血糖水平，当血糖水平升高时可以自动按需释放胰岛素。

　　这项发表在《美国国家科学院院刊》上的研究表明，给糖尿病病人带来痛苦的胰岛素注射有望成为历史。

　　这种不大于1便士硬币的方形薄贴片内面密布超过100个呈矩阵排列的约睫毛粗细的微针头。这些“微针”内塞满了包含胰岛素和葡萄糖感应酶的微存储单元，当血糖升高时，可以快速释放胰岛素。在1型糖尿病小鼠模型动物实验研究中，这种新型无痛贴片实现连续九个小时降低血糖在正常水平范围。当然，该项研究目前仅为动物实验，在投入临床使用前还需要进一步临床前检验和人类临床试验验证。但是该显示出良好的应用前景。

　　研究人员介绍说，他们设计的这种贴片起效迅速，使用方便，是用无毒和生物兼容性好的材料制成。整个系统可以根据患者的体重和胰岛素的敏感性进行个性化定制，因此是一种更聪明智能贴片。

　　据统计，目前糖尿病影响全球超过3.87亿人，而这一数字预计到2035年将增长到5.92亿。1型糖尿病和进展性2型糖尿病患者需要不断通过刺破手指监测血糖水平，并反复注射胰岛素来尽量控制住他们的血糖水平，这个过程是痛苦的，不精确的。注射药量错误还可导致象失明和截肢等显著并发症，甚至造成如糖尿病昏迷和死亡等这类灾难性后果。

　　此前，研究人员一直试图通过建立“闭环系统”直接联合跟踪血糖和胰岛素给药的装置来消除注射胰岛素带来的可能的人为错误。然而，这些方法涉及机械传感器和泵，以及粘附在皮肤上的带有针尖导管，并且没几天就需要更换。

　　来自北卡罗来纳大学和北卡罗来纳州立大学的这个研究团队没有坚持研发完全人工系统，而是转向选择了模仿被称为β细胞的人体自然生成胰岛素的机制。我们知道，这些多功能细胞同时作为车间和仓库，在一些被称为囊泡的小囊内制作和储存胰岛素。它们还像报警呼叫中心那样，可以感受到血糖水平的升高，并发出向血液中释放胰岛素的信号。

　　研究者用自然界中很容易找到的两种材料构建一种人工囊泡。第一种材料是透明质酸，一种天然物质，常作为许多化妆品的成分。第二种是2-硝基咪唑，一种常用的诊断用机化合物。研究者巧妙地将两种物质连接在一起创建一种新的分子，一端具有亲水性，另一端具有疏水性。这些分子的混合物自组装成囊泡，很像聚结在水中的油滴，疏水末端朝上向内和亲水端指向外。结果形成了数以百万计的泡囊状结构，每个泡囊直径小于人头发的百分之一。研究者向这些微泡囊内插入包含胰岛素和专门设计用来感测葡萄糖的酶的固体芯。

　　实验室实验中，当血糖水平升高，超标的葡萄糖挤进这些人工小泡。该酶将葡萄糖转化为葡萄糖酸，整个过程同时消耗氧气。由此造成的“缺氧”使得疏水性2-硝基咪唑分子转为亲水性，从而导致小泡迅速崩溃，释放胰岛素进入血液。

　　设计出这些“智能胰岛素纳米粒子”后，研究人员还得想出向糖尿病患者给药的方法。这种方法还不能重蹈之前所使用的大针头和需要链接导管给患者造成痛苦和麻烦的覆辙，他们决定将包含糖感应和胰岛素释放材料的这些泡囊置入矩阵排列的微针内。

　　研究团队以透明质酸作为纳米颗粒的主要成分创建这些纳米材料“微针”，经过特殊设计这些细小的针头硬度足以刺破皮肤。他们将100以上的这些微针矩阵状排列在一小块纤薄的硅薄膜片上从而制造出一个看起来象钉床的无痛贴片。将这种贴片粘帖到皮肤上，内面的微针可以穿透皮肤，与下方的微循环连通。

　　研究人员在1型糖尿病的小鼠模型测试了这种装置控制血糖的能力。他们给一组小鼠进行标准胰岛素注射同时测量血糖水平，发现血糖很快下降到正常，但随后又迅速爬升回到高血糖水平范围。与此相反，当研究人员给予另一组小鼠处粘附上微针贴片，发现血糖水平在30分钟内得到良好控制并在数小时内保持正常水平。

　　此外，研究人员发现，他们可以通过改变每个微针中包含的酶剂量来调整贴片将血糖水平控制在需要的一定范围内。他们还发现，该贴片不产生注射胰岛素造成的危害。我们知道，频繁注射胰岛素有可能使血糖直线下降到危险的低水平状态。

　　北卡罗莱纳州的转化与临床科学（NC TRACS）研究所主任，也是美国糖尿病协会前会长巴斯说，“糖尿病管理的困难的部分不在于注射胰岛素，或血糖检查，或饮食控制，而在于你的余生内每一天都不得不多次重复这些事情。

　　“如果我们开发的这种智能贴片在人类也同样有效，那这将改变糖尿病管理的游戏规则。”由于小鼠胰岛素敏感性低于人类，因此，如果该贴片最终用于临床，它实际上对血糖的稳定效应可能会持续更长的时间。研究者表示，他们的最终目标，是开发出患者只需要每间隔几天才需要更换一次的智能胰岛素贴。