黑色素瘤是一種與表皮層黑色素細(xì)胞密切相關(guān)的高度惡性皮膚癌。經(jīng)皮遞藥是手術(shù)替代或者補(bǔ)充治療皮膚癌的有效方法，它可使藥物能夠穿透皮膚屏障并直接作用于腫瘤部位。然而，隨著黑色素瘤的進(jìn)展，表皮黑色素瘤細(xì)胞會(huì)持續(xù)浸潤真皮，形成皮膚深部黑色素瘤。深部皮膚腫瘤的有效治療依賴于經(jīng)皮給藥系統(tǒng)中的增強(qiáng)藥物滲透。雖然微針(MNs)和離子導(dǎo)入技術(shù)在經(jīng)皮給藥方面已展現(xiàn)出效率優(yōu)勢，但皮膚彈性、角質(zhì)層的高電阻和外部電源要求等需求挑戰(zhàn)，仍然阻礙了它們治療深部腫瘤的有效性。

基于此，武漢大學(xué)藥學(xué)院黎威教授和姜鵬副教授課題組設(shè)計(jì)開發(fā)了一種集成柔性摩擦電納米發(fā)電機(jī)(F-TENG)的可穿戴自供電載藥微針(MNs)貼片，旨在增強(qiáng)深部黑色素瘤的治療。微針由水溶性微針基質(zhì)材料與帶負(fù)電荷的pH響應(yīng)納米粒子(NPs)混合而成，其中納米粒子中裝載著治療藥物。該裝置充分利用MNs和F-TENG的優(yōu)勢(F-TENG能夠利用個(gè)人機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電能)，治療性NPs可以在MNs貼片插入皮膚后滲透到深層部位，在酸性腫瘤組織中迅速釋放藥物。在深部黑色素瘤小鼠模型對比實(shí)驗(yàn)中，使用集成的F-MNs貼片的治療效果優(yōu)于普通MNs貼片，預(yù)示這集成F-MNs貼片在深部腫瘤治療的巨大潛力。

該貼片通過摩方精密microArch® S240（10μm精度）制備完成，相關(guān)研究成果以題為“Enhancing Deep-Seated Melanoma Therapy through Wearable Self-Powered Microneedle Patch"的文章發(fā)表在《Advanced Materials》。武漢大學(xué)藥學(xué)院博士研究生王陳媛、碩士研究生何光琴和博士研究生趙環(huán)環(huán)為共同第一作者，武漢大學(xué)藥學(xué)院黎威教授和姜鵬副教授為共同通訊作者。

首先，研究者采用氣體擴(kuò)散法合成了具有pH響應(yīng)性質(zhì)的Ce6@CaCO3 NPs， Ce6@CaCO3NPs為100 nm左右均勻分布的球形結(jié)構(gòu)，表面修飾PEG進(jìn)一步增強(qiáng)納米粒子的膠體穩(wěn)定性。在pH = 7.4的中性環(huán)境中，納米粒子維持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，使得封裝的藥物難以釋放。在pH = 5.5的酸性環(huán)境中，納米粒子結(jié)構(gòu)被破壞，可實(shí)現(xiàn)藥物的快速釋放（如圖1）。

圖1Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs的合成與表征a) Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs的合成和藥物釋放過程示意圖。b)合成Ce6@CaCO3NPs的TEM圖像。c)游離Ce6、游離DOX和Ce6(DOX)@CaCO3-PEG的紫外可見光譜(藍(lán)色和黑色虛線矩形分別表示Ce6和DOX的特征吸收峰)。d) DLS測定的Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs的粒徑分布。e) Ce6@CaCO3和Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs的Zeta電位。f) Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs在不同pH值(7.4、6.5和5.5)的PBS中孵育0.5 h后的代表性TEM圖像。g) Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs在不同pH值(7.4、6.5和5.5)的PBS中隨時(shí)間變化的水動(dòng)力直徑變化。Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs在不同pH值PBS中h) DOX或i) Ce6的體外釋放譜。每個(gè)點(diǎn)代表平均值±SD (n = 3個(gè)獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn))。***p < 0.001, ****p < 0.0001。

隨后，作者在細(xì)胞上驗(yàn)證了納米粒子的抗腫瘤療效。藥物被納米粒子包封后顯著增強(qiáng)了細(xì)胞對藥物的攝取。除此之外，納米粒子結(jié)合Ce6的光動(dòng)力和DOX的化療療效，實(shí)現(xiàn)了光動(dòng)力和化療聯(lián)合治療的抗腫瘤療效，其效果優(yōu)于單一光動(dòng)力或者化學(xué)療法（如圖2）。

圖2 Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs的體外行為a) B16-F10細(xì)胞對Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs的攝取。b) Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs孵育4 h后細(xì)胞攝取量的定量測定c)激光照射下游離Ce6或Ce6@CaCO3-PEG孵育后B16-F10細(xì)胞的細(xì)胞活力。兩種處理的Ce6濃度相當(dāng)。d)游離DOX或Ce6(DOX)@CaCO3-PEG孵育后B16-F10細(xì)胞的細(xì)胞活力。兩種處理的DOX濃度相當(dāng)。e) 660 nm激光照射不同處理下B16-F10細(xì)胞內(nèi)ROS檢測。f)用Ce6@CaCO3-PEG或Ce6(DOX)@CaCO3-PEG NPs處理B16-F10細(xì)胞在激光照射或不照射下的細(xì)胞活力。g)不同處理后B16-F10細(xì)胞的活/死測定。這些處理具有相同的DOX或Ce6濃度。綠色熒光:鈣素-AM;紅色熒光:碘化丙啶(PI)。每個(gè)點(diǎn)代表平均值±SD (n = 3個(gè)獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn))。*p < 0.05,**p < 0.01, ***p < 0.001. ns表示無顯著性。

同時(shí)，研究者通過硅橡膠和導(dǎo)電織物制備了一種典型的接觸和分離模式的柔性摩擦電層F-TENG，可以通過接觸通電和靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)將生物機(jī)械能轉(zhuǎn)化為交流電(AC)輸出。然而，為了有效地為離子電泳系統(tǒng)供電，交流輸出必須轉(zhuǎn)換成直流(DC)。因此，作者制作了電源管理系統(tǒng)(PMS)，將F-TENG的交流轉(zhuǎn)換為直流，同時(shí)顯著放大電流。最后將柔性的F-TENG與載藥微針結(jié)合，制備成一種可穿戴的裝置（如圖3）。

圖3 一種工作在接觸分離模式下的柔性TENG (F-TENG)。a) F-TENG的原理圖(左)和照片(右)。b) F-TENG工作機(jī)理示意圖。c)短路電流，d)開路電壓，e) F-TENG的轉(zhuǎn)移電荷。f)連接整流橋和LED燈的F-TENG輸出電流。g)連接電源管理系統(tǒng)和LED燈的F-TENG輸出電流。(f)和(g)中的插圖是15秒內(nèi)電流峰值的放大視圖和LED燈的光學(xué)照片。h)手動(dòng)驅(qū)動(dòng)F-TENG連接到PMS的電流。i)可穿戴式F-MN貼片原理圖。可穿戴的F-MN貼片j)貼在人體手臂上之前和k)貼在沒有皮膚穿刺的情況下的演示照片。微針通過真空澆筑法，將載藥的納米粒子與水溶性基質(zhì)PVA/suc混合后填入PDMS模具中制備得到，并用導(dǎo)電的PPy作為微針背襯填入。制備好的微針與F-TENG通過導(dǎo)電膠連接得到F-MN裝置。此外，將偶聯(lián)FITC熒光的葡聚糖作為模型藥物被微針遞送到到皮膚后，通過熒光分布可以看出連接F-TENG的微針裝置具有更高效和深部的藥物遞送（如圖4）。

圖4F-MN貼片的制備與表征。a) MN貼片制作工藝示意圖。b)制備的MN貼片的光學(xué)圖像和c) SEM圖像。d) FITC -葡聚糖負(fù)載MN貼片的代表性明場(左)和熒光顯微鏡圖像(右)。e)右旋糖酐-MN貼片插入后大鼠皮膚代表性明場和熒光顯微鏡圖像。f)熒光圖像和g)植入或不植入F-TENG的大鼠皮膚后殘余MNs的相應(yīng)熒光強(qiáng)度(FI)。h)代表性顯微鏡圖像，i)藥物穿透深度，j)外用葡聚糖溶液或葡聚糖-MN貼片加F-TENG或不加F-TENG后大鼠皮膚組織切片對應(yīng)的熒光強(qiáng)度。每個(gè)點(diǎn)代表平均值±SD (n = 3個(gè)獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn))。*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001. ns表示無顯著性。微針尺寸：高850 μm，尖部直徑10 μm，底座直徑400 μm.

而后，作者在小鼠體內(nèi)觀察F-TENG產(chǎn)生電流的能力以及在體內(nèi)藥物遞送的效果。將F-MN裝置應(yīng)用在小鼠腫瘤部位后，F(xiàn)-TENG能夠?qū)⑦\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，在小鼠體內(nèi)維持恒定的電流，有效促進(jìn)微針中負(fù)載的藥物向更深部的腫瘤滲透，同時(shí)也提高了藥物在體內(nèi)的遞送效率和作用時(shí)間（如圖5）。

圖5F-MN裝置提高了體內(nèi)給藥效率。a)經(jīng)F-MN貼片處理的荷瘤小鼠照片。(插圖:治療小鼠時(shí)，MN貼片被連接。正極連接小鼠左前肢，負(fù)極連接MN貼片)。b) F-MN貼片作用于腫瘤部位的示意圖。c)治療過程中通過MN貼片的電流。d)不同處理小鼠給藥后24 h的熒光圖像。紅色虛線圈表示腫瘤部位。e)不同處理的荷瘤小鼠及腫瘤部位照片。f)代表性圖像，g)相應(yīng)的藥物穿透深度，h)局部應(yīng)用NPs或MN貼片或f -MN貼片后腫瘤部位組織切片在體內(nèi)的相對熒光強(qiáng)度。每個(gè)點(diǎn)代表平均值±SD (n = 3個(gè)獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn))。*p < 0.05, ***p < 0.001, and ****p < 0.0001.

最后，作者探究了該裝置對體內(nèi)深部黑色素瘤的療效，成功在C57BL/6小鼠體內(nèi)構(gòu)建了深部黑色素瘤模型，并將其分為5組分別進(jìn)行不同的處理。結(jié)果表明單次使用F-MNs貼片的治療表現(xiàn)出比單獨(dú)使用MNs貼片更*的治療效果，能夠?qū)⒅形簧嫫谟蓪φ战M的8天延長至21天，表明該裝置在治療深部腫瘤具有很大的潛力。此外，作者檢測了小鼠的血清生化指標(biāo)，并對其心肝脾肺腎進(jìn)行HE染色切片，從而進(jìn)一步證明材料的安全性（如圖6和圖7）。

圖6 F-MN貼片在B16-F10黑色素瘤小鼠中的抗腫瘤行為。a)處理過程示意圖。b)不同腫瘤深度荷瘤小鼠的代表性超聲圖像和c)腫瘤組織的組織學(xué)切片。d) (c)中的深度量化。e)五組不同處理小鼠的平均腫瘤生長曲線。f)第9天各給藥組小鼠腫瘤重量。g)第9天各組離體腫瘤形態(tài)。h)各組小鼠治療后體重。i)各治療組小鼠存活率曲線。j)各組腫瘤組織切片H&E、Ki67、TUNEL染色分析。每個(gè)點(diǎn)代表平均值±SD (n = 5個(gè)獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn))。*p<0.05,***p<0.001, ****p<0.0001.

圖7F-MN貼劑的體內(nèi)生物安全性評價(jià)。a)各組主要器官切片H&E染色分析。不同處理后小鼠血清生化指標(biāo)b)丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶(ALT)、c)血尿素氮(BUN)、d)肌酐(CR)、e)總膽紅素(TBIL)各組全血中f)白細(xì)胞(WBC)，g)紅細(xì)胞(RBC)，h)血小板(PLT)的數(shù)量。數(shù)據(jù)以mean±SD (n = 5個(gè)獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn))表示，ns表示無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié)論：在這項(xiàng)研究中，作者開發(fā)了一種與F-TENG集成的可穿戴自供電MN貼片，并用于治療深部實(shí)體腫瘤。F-MN貼片能夠通過可溶解的納米顆粒將載藥的納米顆粒遞送到皮膚中，并通過納米發(fā)電機(jī)將個(gè)人機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，從而提供足夠的驅(qū)動(dòng)力將治療性納米顆粒推進(jìn)深部腫瘤，進(jìn)而顯著提高藥物遞送穿透效率。在到達(dá)酸性腫瘤位置后，pH響應(yīng)性NPs表現(xiàn)出快速解離和釋放化學(xué)分子(DOX)和光敏劑(Ce6)，從而顯示出強(qiáng)大的協(xié)同去除腫瘤細(xì)胞的能力。在小鼠深部黑色素瘤模型中，單次給藥這種F-MN貼片能夠?qū)崿F(xiàn)明顯的腫瘤生長抑制。此外，荷瘤小鼠的生存期明顯延長，體內(nèi)生物安全性令人滿意，這表明了該貼片在臨床治療深部實(shí)體瘤方面具有很大的潛力。這種有效的裝置具有出色的傳輸能力，可以很輕松地將生物大分子或治療性NPs經(jīng)皮輸送到深部，將來也可局部或全身用于治療其他疾病，如糖尿病。