微針技術在透皮給藥方向的研究進展

劉春晶，林福玉，劉金毅，童梅，高向東

1.中國藥科大學 生命科學與技術學院，江蘇 南京 210009；

2.北京三元基因藥業股份有限公司（北京市長效干擾素工程技術研究中心），北京 102600

透皮給藥是替代口服給藥的一種重要給藥方式，但是由于皮膚屏障的限制，只有一部分具有合適物理化學性質的分子能夠被透皮吸收。微針（microneedles）作為一種透皮給藥技術，近年來受到廣泛關注。微針是能夠穿透皮膚表皮層或上真皮層的一種一個或一排微米尺寸的針，通常直徑幾百微米，長度可達1000 μm，根據給藥方式可以分為固體、包衣、空心或溶解微針4種類型。在美容領域，微針可以促進皮膚表皮細胞再生、提高產品成分滲透率[1]，如德國Dermaroller公司的Dermaroller系列產品廣泛應用于皮膚皺紋、紅斑、水腫、色素沉著和瘢痕的預防與治療。在診斷上，微針可以快速穿透皮膚采集微量血液/組織液，具有微量、安全、經濟的優點，一項將微針用于潛伏性結核感染診斷的臨床試驗證明診斷微針具有安全性和有效性[2]。在治療上，采用微針局部或系統給藥，可用于納曲酮、利多卡因、腎上腺素等低分子量藥物及甲狀旁腺激素、胰島素等多肽及蛋白質藥物的透皮輸送。在疫苗方面，已有流感、狂犬病、卡介苗、西尼羅病毒和人乳頭瘤病毒等微針疫苗的研究[3]。微針用于黃斑水腫、葡萄膜炎等眼科疾病給藥[4]和細胞內傳遞DNA/RNA[5]等化合物的研究也取得了一定的進展。目前已被批準上市的微針給藥產品只有BD Soluvia和MicronJet 600空心微針給藥裝置，其余產品如表1所示還處于臨床研究階段。我們在此主要介紹微針在疫苗、糖尿病和皮膚病等領域的臨床試驗成果及最新研究進展。

1 微針用于疫苗接種

1.1 微針流感疫苗

微針疫苗是微針研究進展最快的領域，目前已上市和處于臨床研究階段的微針疫苗多為針長為600～1500 μm的空心微針，主要因為空心微針可以通過控制針長、針內徑和外加儲藥裝置達到一定的給藥流速和給藥劑量。多篇文獻報道微針疫苗與傳統疫苗相比具有相近或更高的免疫原性。老年人、5歲以下兒童、孕婦和慢性疾病患者是季節性流感的易感人群，一項1107名年齡均在60歲以上的受試者參加的臨床試驗中，實驗組使用近端有1.5 mm微針的預填充型裝置皮內注射（ID）三價滅活流感疫苗，肌肉注射（IM）作為對照組。結果顯示21 d內皮內注射組的特異性抗體幾何平均滴度（GMT）、血清保護率、血清轉化率均優于肌肉注射組，但局部反應更常見[6]。Intanza 9 μg是一種使用BD Soluvia微針注射系統進行皮內給藥的三價流感疫苗，2009年被歐洲藥品管理局（EMA）批準用于18～59歲成人流感預防，現已在40多個國家使用，該疫苗的不良反應包括超敏反應、發燒或急性感染[7]。一項為期3年的Ⅱ期臨床試驗比較了Intanza 9 μg與肌肉注射疫苗的免疫原性，結果顯示Intanza 9 μg的安全性及反應原性符合相關標準，可誘導不劣于對照疫苗的免疫反應[8]。一項Ⅱ期臨床試驗表明接種Intanza 9 μg后1年抗體滴度仍然保持在基線以上[9]。Akihiro等[10]利用羥乙基淀粉70000與疫苗混合制備針長約430 μm的溶解型微針，評估H1N1、H5N1病毒粒子（VP）和全病毒顆粒（WVP）微針疫苗的效力，動物實驗結果表明微針比皮下注射（SC）具有更高的免疫原性，WVP微針疫苗比VP微針疫苗誘導更高的抗體中和反應。微針疫苗具有更高的穩定性，易于儲藏和運輸。Intanza 9 μg可以在2～8℃避光條件下保存長達1年，Mat?thew等[11]證明精氨酸與葡萄糖酸鹽溶解型微針中的三價流感疫苗可在25℃儲存超過1年，該微針疫苗接種后引起的抗體滴度與新鮮疫苗相當。同時微針疫苗具有較高的患者接受度，在Intan?za 9 μg的Ⅲ期臨床研究期間，1679名接種者中97%認為微針皮內注射引起的局部疼痛反應完全可以接受，94%的人認為可接受，總體來說受試者對微針疫苗感知良好[12]。

表1 處于臨床研究階段的微針給藥產品

1.2 微針脊髓灰質炎疫苗

微針透皮給藥不僅限于季節性流感的免疫治療，研究顯示微針疫苗能有效對抗多種病原體引起的疾病。接種脊髓灰質炎疫苗是預防脊髓灰質炎的有效手段，口服脊髓灰質炎疫苗（OPV）使用方便、價格低廉，但免疫原性較低且不穩定。活脊髓灰質炎疫苗（IPV）價格較高，目前在很多地區未能得到推廣使用，降低IPV成本是脊髓灰質炎疫苗研究的熱點方向。在一項臨床試驗中，231名免疫缺陷受試者按2∶2∶2∶1的比例分組（40%標準劑量皮內注射組，20%標準劑量皮內注射組，標準劑量肌內注射組，40%標準劑量肌內注射組），皮內接種使用NanoPass Micron?Jet 600微針裝置，IPV給藥后顯示40%標準劑量皮內注射組與標準劑量肌內注射組疫苗反應原性相當，而皮內40%標準劑量組產生了更高的抗體滴度[13]。

1.3 微針基因疫苗

DNA疫苗接種已成為乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌及宮頸癌等癌癥的有效治療策略[14]。RALAE6/E7納米粒子（NPs）微針使用一種全新的30個氨基酸的陽離子肽遞送序列（RALA）作為E6/E7 DNA的載體，載體與NPs結合后溶于聚乙烯吡咯烷酮（PVP）制備成E6/E7 DNA溶解型微針。接種MN/RALA-E6/E7 NPs比肌內注射RALA-E6/E7 NPs產生了更豐富的E6/E7特異性IgG，具有更高的T細胞介導的TC-1細胞毒性，并且小鼠血清含有更多的IFN-γ。MN/RALA-E6/E7 NPs在預防模型中延緩了腫瘤的發生，在治療模型中減緩腫瘤生長，且效果均優于肌內注射[15]。Tang等[16]證明HPV16 E6 siRNA微針疫苗可以無痛、有效、安全地將siRNA遞送到宮頸癌小鼠模型皮膚的特定區域，抑制腫瘤生長，該研究為宮頸癌的治療提供了替代給藥方法。

2 微針用于糖尿病治療

2.1 空心微針胰島素給藥

2014年全球范圍內約有4.22億名成年人患有糖尿病，患病率較1980年上升了3.8%[17]，微針作為替代胰島素注射的一種給藥方式被用于糖尿病治療研究，目前大多數糖尿病微針都處于臨床Ⅰ/Ⅱ期階段，僅有一例報道的Ⅲ期臨床試驗（NCT00837512）。雖然臨床試驗中使用的微針、胰島素的種類和劑量有所不同，但多項臨床研究表明微針給藥可達到治療劑量，并且多具有較高的峰濃度（Cmax）、較短的達峰時間（Tmax）、疼痛感低于皮下或肌肉注射等優點。美國BD公司2015年的一項臨床研究中28名1型糖尿病患者（T1DM）接受皮下和皮內胰島素注射，ID使用34 G×1.5 mm長，外徑和內徑分別為178和63.5 μm的不銹鋼空心微針，結果表明在72 h內與SC相比ID具有更短的Tmax、較少的受試者體內變異和較平穩的血糖變化[18]。近年來兒童和青少年糖尿病患病風險正在增加，微針給藥在兒童與青少年糖尿病的治療上也受到重視。2012年Emory大學的一項臨床試驗中，16名10～18歲兒童和青少年T1DM患者通過長度為1.1 mm的硼硅酸鹽玻璃空心微針和皮下注射胰島素給藥，試驗中使用視覺模擬量表評估受試者疼痛感，收集4 h以上血液測定胰島素和葡萄糖濃度。結果顯示微針給藥疼痛感顯著低于皮下注射，且具有更快的胰島素體內起效速率和清除速率。微針Tmax為30±2 min，皮下注射 Tmax為 52±4 min，微針給藥清除時間34 min，比皮下注射加快24%[19]。有研究認為胰島素微針更快的起效速率和清除速率可以用于閉環胰島素治療，使患者血糖保持在正常水平，以預防低血糖的發生[20]。NanoPass公司2016年的一項臨床試驗中，17名2型糖尿病患者使用MicronJet皮內和皮下注射胰島素，比較評價藥代動力學/藥效學（PK/PD）、安全性及耐受性。ID的Tmax（35 min）明顯小于 SC 的 87.5 min，ID 的 Cmax（80 IU/mL）高于SC的55 IU/mL，2組藥時曲線下面積（AUC）無明顯區別，相對生物利用度相似[21]。

2.2 溶解型微針胰島素給藥

目前臨床試驗中使用的胰島素微針多為空心微針，空心微針具有藥物質量可控、活性穩定，載藥量較大等優點。近年來高分子材料研究進展迅速，可以預見高分子材料微針會得到快速發展。目前多種新型高分子材料和緩釋型胰島素微針正處在研究階段，并取得了一定的成果，為胰島素溶解型微針的臨床研究提供了基礎。Lee等[22]使用胰島素的明膠和羧甲基纖維素鈉（CMC）溶解型微針貼片對糖尿病小鼠進行體內藥效學研究,該微針藥理相對利用度和相對生物利用度（RBA）分別為95.6%和85.7%。聚-γ-谷氨酸微針[23]、硫酸鈣和明膠復合微針[24]藻酸鹽和透明質酸微針[25]等用于胰島素的透皮給藥都取得了較好的效果。糖尿病并發癥包括糖尿病異常低血糖引起的行為和認知障礙、癲癇發作、昏迷，甚至死亡，動態調節胰島素或胰高血糖素的輸送能夠有效預防低血糖，緩釋型微針用于糖尿病并發癥預防也是微針應用研究的一個重要方向。Yu[26]等將胰島素特異性配體與胰高血糖素結合，配體-胰高血糖素（Apt-Glu）進一步與固定在甲基丙烯酸酯化透明質酸（m-HA）上的胰島素結合。HA微針在胰島素濃度高的情況下，游離胰島素可通過競爭結合使胰高血糖素從HA基質中快速釋放。動物實驗中該微針可維持80 mg/dL血糖濃度2 h，隨后血糖值升高，對照組在0.5 h后出現低血糖（＜70 mg/dL），該研究說明胰島素觸發的胰高血糖素遞送微針能夠預防低血糖。Yu等[27]利用含有胰島素和葡萄糖氧化酶（GOx）的透明質酸微針作為葡萄糖觸發型胰島素輸送裝置，該微針貼片能有效地調節T1DM小鼠模型血糖濃度。在多項研究中，微針給藥顯示出優于其他給藥方式的藥物代謝動力學特征，有研究認為皮內給藥與其他給藥方式的體內代謝是不同的[28]。微針可將藥物輸送到含有豐富的毛細血管和淋巴管毛細管網絡的真皮層，毛細血管較易吸收小分子，而淋巴毛細管由于其獨特的結構和生理功能，可以吸收包括細胞碎片在內的不同大小的分子，因此淋巴吸收可能是微針給藥等皮內給藥的主要攝取方式，微針給藥在體內的具體代謝方式還需要進一步的研究。

3 微針用于皮膚疾病治療

微針作為一種新型皮膚病治療給藥方式同時兼具治療和美容功能，微針給藥具有增強局部吸收、操作相對簡單、患者耐受性高等優點。目前微針在病理性瘢痕、脫發、皮膚疣、黑色素瘤、光化性角化病、黑斑病、白癜風等皮膚病的治療領域均有研究[29]。

3.1 微針治療皮膚疣

皮膚疣是人乳頭瘤病毒（HPV）引起的常見皮膚病，目前治療方法多存在病程持續、較易形成瘢痕，易復發等缺點[30]。一項研究成功制備了博萊霉素聚乳酸（L-PLA）包衣微針，并將該微針應用于皮膚疣的治療中[31]。研究表明博來霉素可沾涂在聚乳酸微針尖端，動物實驗中該微針具有足夠的機械強度穿透皮膚厚角質層，體外實驗中超過80%的博萊霉素在15 min內溶解進入皮膚。與局部注射相比，博萊霉素微針可更有效地使藥物進入表皮皮層，藥代動力學研究顯示博來霉素微針在給藥50 min后達到Tmax，Cmax為372.18 ng/L，半衰期36 min，而皮下注射博來霉素半衰期只有8 min。博來霉素微針為皮膚疣的治療提供了一種方便、無痛的新途徑。

3.2 微針治療病理性瘢痕

病理性瘢痕（瘢痕疙瘩和增生性瘢痕）是臨床常見的皮膚病，目前尚無明確的治療方法[32]。有研究表明未載藥的液晶聚合物微針可使成纖維細胞的存活率上升83.8%±11.96%，在兔耳增生性瘢痕模型中微針可以有效防止83.33%的傷口真皮組織增厚。臨床試驗顯示微針貼片患者耐受良好，與未經處理的瘢痕區域相比微針治療減少了瘢痕區浸潤性炎癥細胞的數量，真皮組織結構破壞較少，外觀更平坦[33]，但還須進一步的臨床研究驗證其療效。Anastasia等[34]將16片0.5 cm2的微針貼片（14×14，針長600 μm）組合成大微針貼片，包含10名志愿者的臨床試驗顯示該微針貼片平均插入深度為300～450 μm，與同一志愿者使用單個微針貼片效果無顯著差異。該研究為大于1～2 cm2的微針貼片的應用提供了基礎，也為微針在皮膚疾病的應用提供了理論支持。

3.3 微針治療黑色素瘤

黑色素瘤（malignant melanoma，MM）來源于皮膚黏膜上皮基底細胞間的黑色素細胞，惡性程度極高，占皮膚癌相關致死病因的90%以上，占全身惡性腫瘤的4%～5%，近年來已成為發病率升高最快的腫瘤之一。Wang等[35]采用透明質酸與包封了aPD1和GOx的葡聚糖納米顆粒結合，制備了aPD1溶解型微針。實驗表明該微針貼片可以無痛地穿透表皮并有效浸入組織液中將其有效載荷持續地提供給腫瘤微環境，體內實驗中單次使用MN貼片在B16F10黑色素瘤小鼠模型中可誘發免疫應答，約50%的小鼠黑色素瘤消失并存活40 d，系統注射或皮下注射aPD1能延長小鼠的存活時間但均不能達到40 d，說明注射相同劑量的aPD1，微針的治療效果優于其他方式。在一項Dermaroller微針滾輪與5-氟尿嘧啶（5-FU）霜劑組合治療黑色素瘤的研究中[36]，當針長500 μm、直徑50 μm的微針穿透小鼠皮膚后，5-FU霜劑的吸收量提高了4.5倍。在B16F10黑色素瘤小鼠模型體內比較5-FU微針與5-FU霜劑的抗腫瘤活性實驗中，5-FU微針顯著提高了體外皮膚局部通透性和體內抗腫瘤活性。以上研究結果說明微針技術可以整合到皮膚病的治療中以提高藥物療效。目前很多微針在皮膚相關疾病的治療中都處于臨床前研究，證明微針可用于載藥并取得治療效果。關于微針實際釋藥量及微針材料在體內的代謝途徑研究較少。溶解微針、包衣微針給藥可有效減輕患者的疼痛感，但也面臨著藥物的穩定性降低、活性下降，載藥量不足和安全性等問題，這些微針是否能用于皮膚疾病的治療，還需要臨床試驗驗證。

4 結語

微針給藥研究不僅對于患者，而且對整個透皮給藥領域的發展都具有重大意義，微針在疫苗、胰島素給藥的臨床研究證明了微針給藥的可行性，在皮膚病領域也取得了較好的試驗結果。微針給藥仍然面對許多挑戰，在現有的微針安全性、藥代動力學和藥效學研究基礎上，金屬微針或玻璃微針的安全性、生物相容性及重復利用潛力，以及溶解型微針在體內的代謝途徑，長期使用微針是否會對皮膚造成長久性或永久性的損傷等還需要進一步的研究。隨著微加工技術的發展和相關藥學研究的進展，其在腫瘤、眼科疾病、麻醉、牙科等領域的開發前景也倍受關注，我們相信微針給藥將會在醫療、保健和生物學等領域帶來新的突破。

[1] Badran M M,Kuntsche J,Fahr A.Skin penetration enhancement by a microneedle device(Dermaroller)in vitro:dependency on needle size and applied formula?tion[J].Eur J Pharm Sci,2009,36:511-523.

[2] Jungho J,Valerie R,Coler R,et al.Chitin micronee?dles for an easy-to-use tuberculosis skin test[J].Adv Healthcare Materials,2014,3:349-353.

[3] Kim Y C,Park J H,Prausnitz M R.Microneedles for drug and vaccinedelivery[J].AdvDrugDeliv Rev,2012,64(14):1547-1568.

[4] Moffatt K,Wang Y J,Donnelly R F,et al.Micronee?dles for enhanced transdermal and intraocular drug de?livery[J].Curr Opin Pharmacol,2017,36:14-21.

[5] Kumar A,Wonganan P,Sandoval M A,et al.Mi?croneedle-mediated transcutaneousimmunization with plasmid DNA coated on cationic PLGA nanoparticles[J].J Control Rel,2012,163(2):230-239.

[6] Holland D,Booy R,Loose F D,et al.Intradermal in?fluenza vaccine administered a new microinjection sys?tem produces superior immunogenicity in elderly adults:a randomized controlled trial[J].Oxford J,2008,198(1):650-658.

[7] Roels I L,Weber F.Intanza 9 μg intradermal season?al influenza vaccine for adults 18 to 59 years of age[J].Human Vaccines Immunother,2013,9(1):115-121.

[8] Beran J,Ambrozaitis A,Laiskonis A,et al.Intrader?malinfluenza vaccination ofhealthy adultsusing a new microinjection system:a 3-year randomised con?trolled safety and immunogenicity trial[J].BMC Med,2009,7(13):1741-1765.

[9] Scheifelel D W,McNeil S A,Ward B J,et al.Safe?ty,immunogenicity,and tolerability of three influenza vaccines in older adults[J].Human Vaccines Immunoth?er,2013,9(11):2460-2473.

[10]Akihiro N,Koji K,Masatoshi O,et al.Potency of whole virus particle and split virion vaccines using dissolving microneedle againstchallenges ofH1N1 and H5N1 influenza viruses in mice[J].Vaccine,2017,35:2855-2861.

[11]Matthew J,Mistilis J C,Joyce E,et al.Long-term sta?bility of influenza vaccine in a dissolving microneedle patch[J].Drug Deliv Transl,2017,7:195-205.

[12]Goodliffe L,Coleman B L,McGeer A J,et al.Accep?tance of intradermal inactivated influenza vaccines among hospital staff following 2 seasonal vaccination campaigns[J].Human VaccinesImmunother,2015,11(12):2827-2830.

[13]Troy S B,Kouiavskaia D,Siik J,et al.Comparison of the immunogenicity of various booster doses of inacti?vated polio vaccine delivered intradermally versus in?tramuscularly to HIV-infected adults[J].J Infect Dis,2015,211(12):1969-1976.

[14]Senovilla L,Vacchelli E,Garcia P,et al.DNA vac?cines for cancer therapy[J].Oncoimmunology,2013,2(4):e238031-13.

[15]Ali A A,McCrudden C M,McCaffrey J,et al.DNA vaccination forcervicalcancer;a noveltechnology platform of RALA mediated gene delivery via polymer?ic microneedles[J].Nanomed NanotechnolBiolMed,2017,13:921-932.

[16]Tang Tao,Deng Yan,Chen Jiao,et al.Local adminis?tration ofsiRNA through microneedle:optimization,bio-distribution,tumor suppression and toxicity[J].Sci Rep,2016,6(30430):1-8.

[17]WHO.http://www.who.int/en

[18]James C,McVey R E,Sutter D,et al.Intradermal in?sulin infusion achieves faster insulin action than sub?cutaneous infusion for 3-day wear[J].Drug Deliv Transl,2015,5:332-345.

[19]Norman J J,Brown M R,Raviele N A,et al.Faster pharmacokinetics and increased patient acceptance of intradermal insulin delivery using a single hollow mi?croneedle in children and adolescents with type 1 dia?betes[J].Pediatric Diabetes,2013,14:459-465.

[20]Battelino T,Omladic J S,Phillip M,et al.Closed loop insulin delivery in diabetes[J].BestPractRes Clin Endocrinol Metab,2015,29:315-325.

[21]Kochba E,Levin Y,Raz I,et al.Improved insulin pharmacokinetics using a novel microneedle device for intradermal delivery in patients with type 2 diabetes[J].Diabetes Technol Therapeutics,2016,18:525-531.

[22]Lee I C,Lin W M,Shu J C,et al.Formulation of two-layer dissolving polymeric microneedle patches for insulin transdermaldelivery in diabetic mice[J].J Biomed Mater Res,2017,105A:84-93.

[23]Chen M C,Ling M H,Kusuma S J.Poly-γ-glutamic acid microneedles with a supporting structure design as a potential tool for transdermal delivery of insulin[J].Acta Biomater,2015,24:106-116.

[24]Yu W J,Jiang G H,Liu D P,et al.Fabrication of biodegradable composite microneedles based on calci?um sulfate and gelatin for transdermal delivery of insu?lin[J].Mater Sci Engin,2017,71:725-734.

[25]Yu W J,Jiang G H,Zhang Y,et al.Polymer mi?croneedles fabricated from alginate and hyaluronate for transdermal delivery of insulin[J].Mater Sci En?gin,2017,80:187-196.

[26]Yu J C,Zhang Y Q,Sun W J,et al.Insulin-respon?sive glucagon deliveryforpreventionofhypoglycemia[J].Adv Sci News,2017,13:16030281-5.

[27]Yu Jicheng,Zhang Yuqi,Ye Yanqi,et al.Micronee?dle-array patches loaded with hypoxia-sensitive vesi?cles provide fast glucose-responsive insulin delivery[J].Proc Natl Acad Sci USA,2015,112(27):8260-8265.

[28]Milewski M,Manser K,Nissley B P,et al.Analysis of the absorption kinetics of macromolecules following intradermal and subcutaneous administration[J].Eur J Pharm Biopharm,2015,89:134-144.

[29]Iriartel C,Awosika O,Pardo M R,et al.Review of applicationsofmicroneedling in dermatology[J].Clin Cosmetic Invest Dermatol,2017,10:289-298.

[30]申琳,皮紅英.皮膚疣治療研究進展[J].臨床誤診誤診,2016,29(5):113-116.

[31]Lee H S,Ryu H R,Roh J Y,et al.Bleomycin-coat?ed microneedles for treatment of warts[J].Pharm Res,2017,34:101-112.

[32]李夢蕓,劉德伍.病理性瘢痕的研究和治療現狀[J].實用皮膚病學雜志,2017,10(3):161-165.

[33]Yeo1 D C,Balmayor E R,Schantz J T,et al.Mi?croneedle physical contact as a therapeutic for abnor?mal scars[J].Eur J Med Res,2017,22(28):1-9.

[34]Ripolin A,Quinn J,Larraneta E,et al.Successful ap?plication of large microneedle patches by human volun?teers[J].Int J Pharm,2017,521:92-101.

[35]Wang C,Ye Y Q,Hochu G M,et al.Enhanced can?cer immunotherapy by microneedle patch-assisted de?livery of anti-PD1 antibody[J].Nano Lett,2016,16:2334-2340.

[36]Naguib Y W,Kumar A,Cuin Z G.The effect of mi?croneedles on the skin permeability and antitumor ac?tivity of topical 5-fluorouraci[J].Acta Pharm Sinica B,2014,4(1):94-99.