Microorganism microneedle micro-engine depth drug delivery 微生物微针微引擎深度给药

来源：Nature Communications | (2024) 15:8947


摘要核心内容


创新点：开发了一种气动微针贴片，利用活体产气肠杆菌（Enterobacter aerogenes）作为“微生物微引擎”，通过产生气体主动推动药物进入深层组织（而非传统微针的被动扩散）。

关键机制：微生物发酵葡萄糖产生气体（含6.15% H₂），形成推进力，使药物穿透深度增加200%以上（达1000 μm）。

可控性：通过调节葡萄糖浓度精确控制产气速率与药物递送过程。

应用验证：在银屑病动物模型中，成功递送骨化三醇（calcitriol）至皮下组织，显著缓解症状。


研究目的


解决传统可溶性微针的局限性：


被动扩散不可控：药物渗透深度受限，难以治疗皮肤增厚或深层病变（如银屑病）。

外部控制不便：现有磁控、光控等技术操作复杂且成本高。

材料产气缺陷：无机材料产气量低、持续时间短、残留物存在安全隐患。


研究思路


微生物选择：

选用产气肠杆菌（E.A.），因其能发酵葡萄糖产气（H₂为主），且安全（人体常驻菌）、温敏范围广（15–40°C）。

微针设计：

双层结构（图1a, 图5a）：

外层：负载药物（骨化三醇/罗丹明B）的PVA（聚乙烯醇）。

内层：封装E.A.和葡萄糖的PEGDA（聚乙二醇二丙烯酸酯）基质。

固化工艺：真空注模+紫外固化（5秒），确保微生物活性（图3b）。

作用机制：

微针刺入皮肤后，E.A.利用葡萄糖持续产气 → 气体压力推动外层药物溶解并深入组织（图1b, 图6e）。

可控性验证：通过调节葡萄糖浓度（0–30 mg/mL）调控产气速率与药物渗透深度。



关键测量数据及研究意义

1. 微生物产气性能（图2）


数据：

气相色谱分析：气体含6.15% H₂（图2b）。

最佳产气条件：葡萄糖浓度20 mg/mL时，12小时产气28.7 mL，最大速率1.65 mL/s（图2h–l）。

推力测试：可推动4g琼脂块位移12 mm（最大推力0.04 N）（图2f,g）。

意义：

证实E.A.可作为高效、可控的“生物微引擎”，为药物主动递送提供动力基础。


2. 微针制备与微生物活性（图3）


数据：

UV固化5秒对微生物活性影响极小（图3b）。

荧光染色（DMAO/EthD-III）显示 >95%微生物存活（图3f–h）。

微针机械强度（穿刺力≈0.6N）满足透皮需求（图3d）。

意义：

验证微针制备工艺可行性及微生物在固化后仍保持活性，确保持续产气能力。


3. 气体渗透深度（图4）


数据（使用丹麦Unisense微电极系统）：

皮下H₂浓度监测（图4e–g）：

在100–1000 μm深度实时检测H₂浓度变化。

气体可穿透5 mm厚猪皮，且在深层组织（>500 μm）持续存在（图4d）。

产气速率峰值出现在接种后5–6小时（与药物扩散延迟1–2小时相关）（图6d）。

Unisense电极数据的核心意义：

直接证明气体在组织中的动态扩散：通过原位监测H₂浓度，量化气体穿透深度（达1000 μm），为“气体推动药物”机制提供实验依据。

关联药物递送控制：气体浓度变化曲线（图4f,g）与药物扩散深度（图5e, 图6b,c）高度相关，证实通过葡萄糖浓度可编程控制递送过程。


4. 药物递送性能（图5）


数据：

罗丹明B释放实验：微生物微针（RMM-MNs）释放速率显著高于传统微针（R-MNs）（图5c）。

猪皮渗透深度：30 mg/mL葡萄糖组达900 μm（传统微针<400 μm）（图5d,e）。

动物实验：CMM-MNs组皮下骨化三醇浓度显著高于对照组（图5g,h）。

意义：

微生物微针将药物递送深度提升至传统微针的2倍以上，突破扩散限制。


5. 银屑病治疗疗效（图7,8）


数据：

PASI评分：CMM-MNs组症状改善最快（图7b）。

炎症因子（IL-17A/F, IL-22等）：CMM-MNs组显著低于对照组（图7c–h, 图8e–j）。

意外发现：单独微生物微针（MM-MNs）通过H₂抗炎作用减轻症状（图7c–i）。

意义：

证实技术对深层炎症疾病的有效性，且H₂协同增强抗炎效果。


核心结论


成功开发活微生物微针系统：

微生物在微针内保持活性，通过发酵葡萄糖持续产气（H₂为主），形成可控推进力（0.04 N）。

突破药物递送深度限制：

药物穿透深度达1000 μm（传统微针的200%以上），且通过葡萄糖浓度精准调控。

治疗银屑病高效：

在动物模型中显著改善症状（PASI评分↓，炎症因子↓），并发现H₂的辅助抗炎作用。

安全性：

微生物被限制在PEGDA基质内，不接触组织；无显著肝/肾毒性（附图S20）。


研究价值与展望


创新性：首次将活微生物作为“生物微引擎”整合至微针，实现主动可控的药物递送。

应用潜力：适用于需深层给药的疾病（如银屑病、肿瘤），并为蛋白/细胞疗法递送提供新思路。

未来方向：

探索不同微生物（产H₂S/NO等治疗性气体）。

结合微环境响应设计（如葡萄糖浓度反馈调控胰岛素释放）。

建立气体-药物扩散的数学模型优化设计。


总结：该研究通过巧妙的“微生物微引擎”设计，解决了微针药物递送深度不足的关键问题，为可控透皮给药提供了突破性方案，兼具创新性、可控性与治疗有效性。