Nat. Commun. 通過微針自供電經皮電刺激改善表皮生長因子的藥效學


一、【導讀】

表皮生長因子(EGF)是一種由53個氨基酸殘基和3個二硫鍵組成的小分子多肽,在調節細胞生長、生存、遷移、增殖和分化方面起著重要作用,也是一種能加速表皮再生、促進傷口愈合的優良藥物,常用于治療手術傷口、燒傷和糖尿病潰瘍等病癥。然而,EGF藥效的發揮往往受到以下藥效學方面的挑戰:(1)透皮滲透率低:由于EGF分子量較大,臨床常用的乳膏局部給藥方式難以使EGF穿透表皮并到達真皮組織;雖然EGF可以通過注射方式經皮給藥,但該方法易增加感染風險,同時患者也會因疼痛降低依從性。(2)穩定性差、易被還原失活:EGF在體內的穩定性較差,體內豐富的谷胱甘肽(GSH)可打開EGF的二硫鍵,導致EGF失活。(3)易發生受體脫敏現象:長期使用EGF刺激會導致受體脫敏,極大地阻礙了EGFR信號通路的激活。因此,可以從以下幾個方面來改善EGF在傷口愈合中的藥效:(1)以微創的方式提高滲透率;(2)提高EGF的化學穩定性,抑制GSH對EGF的還原;(3)上調EGFR表達以補償受體脫敏現象。

二、【成果掠影】

近日,中科院北京納米能源與系統研究所李舟研究員、羅聃研究員與第三軍醫大學西南醫院張家平主任等人通過集成滑動式摩擦納米發電機(sf-TENG)和兩段式微針釋藥貼片(CMNP),開發了基于微針的自供電經皮電刺激系統(mn-STESS),在多個層面改善了EGF在用于傷口愈合時的藥效。CMNP可穿透角質層,并持續釋放EGF達24 h。同時,sf-TENG將手指滑動產生的機械能轉化為生物安全的微電流,并通過導電微針實施經皮電刺激(ES)。自供電ES可作為輔助劑,通過調整分子的運動速度來抑制GSH介導的EGF還原,從而維持EGF的穩定性;此外,細胞和動物實驗也表明ES同時上調EGFR表達,改善了受體脫敏現象。mn-STESS能夠有效改善EGF的藥效并促進小鼠傷口愈合。相關研究成果以“Improved pharmacodynamics of epidermal growth factor via microneedles-based self-powered transcutaneous electrical stimulation”為題發表于國際知名期刊《Nature Communications》上。

三、【核心創新點】

1、mn-STESS利用微針刺穿角質層,并將EGF持續遞送至真皮層中,改善了藥物的滲透性;

2、mn-STESS中整合的sf-TENG將手指滑動的機械能轉化為電能,并通過導電微針施加經皮電刺激。mn-STESS施加的電刺激可以作為EGF的“輔助劑”:不僅抑制了GSH對EGF的還原;同時上調了表皮細胞中EGFR的表達,成功的改善了受體脫敏問題。

3、該工作證明了“電輔助劑”在改善藥物藥效方面具有巨大的應用前景,為傳統藥物創造了全新的聯合治療策略。

四、【數據概覽】

圖1. mn-STESS的設計和CMNP性能測試

(a) mn-STESS由sf-TENG、CMNP和敷料組成。CMNP由負載藥物的cGel-cHA MNs和作為電極的PLA-Au MNP組成。(b) mn-STESS的三維結構。(c–e) PLA MNP、PLA-Au MNP和CMNP的明場顯微鏡照片。(f)包載于CMNP的cHA微粒。(g)微針(MNs)的力-位移曲線;(插圖)實驗裝置示意圖。(h)MNs的楊氏模量。(n=3個獨立樣本。數據表示為平均值±SEM)。(i)MNs的封口膜穿透深度。(插圖)實驗裝置示意圖。

圖2. sf-TENG結構及電學輸出

(a)電暈放電系統示意圖。?(b) sf-TENG工作原理示意圖。?(c、d)手指在sf-TENG上從左向右滑動的照片和COMSOL仿真示意圖。(?e-g) sf-TENG 的VOC、ISC和QSC

圖3. mn-STESS體外和體內給藥

(a)基于不同載藥材料的MNP釋放EGF的示意圖:(i) cGel MNs;(ii) CMNP和mn-STESS中的cGel-cHA MNs;(iii) CMNP (NS)和mn-STESS (ES)組中EGF和GSH分子的運動。(b)具有不同交聯度的cGel MNs的EGF釋放效率。(n=3個獨立樣本。數據表示為平均值±SEM)。(c)具有不同cHA微粒含量的cGel-cHA MNs的EGF釋放效率。(n=3個獨立樣本。數據表示為平均值±SEM)。(d) Gel MNs、cGel MNs、cGel-cHA MNs和mn-STESS的EGF釋放效率。(n=3個獨立樣本,數據表示為平均值±SEM)。(e) mn-STESS在不同時間穿透皮膚的熒光圖像。熒光強度由色標表示(右)。藍色到紅色代表最小到最大熒光強度。(f)GSH溶液中來自CMNP和mn-STESS的EGF質量;(插圖)EGF和GSH在CMNP(NS,左)和mn-STESS(ES,右)組中的運動行為;黃色部分表示EGF的二硫鍵。(n=5個獨立樣本。數據表示為平均值±SEM)。(g) NS和ES下,EGF和GSH的擴散系數。數據表示為平均值±SEM,誤差由模擬軌跡分析的均方位移線性擬合產生。(h) ES下,EGF和GSH分子之間的距離,CMNP作為對照組。

圖4.ES與EGF協同作用對HaCaT細胞行為的影響

(a) mn-STESS產生ES并釋放EGF以促進細胞增殖和遷移。(b)用CMNP (EGF)、ES和mn-STESS(EGF和ES)處理的HaCaT細胞代表性熒光圖像,F-actin(綠色)和EGFR(紅色);比例尺,50 μm。(c) HaCaT細胞中EGFR表達的平均熒光強度。(n=3個獨立樣本。***p < 0.001。所有統計分析均通過單向方差分析進行。數據表示為平均值±SEM)。(d)用CMNP (EGF)、ES和mn-STESS(EGF和ES)處理的HaCaT細胞的相對生長速率。(n=3個獨立樣本。*p < 0.05。所有統計分析均通過單向方差分析進行。數據表示為平均值± SEM)。(e) HaCaT細胞遷移的代表性圖像;紅色區域表示遷移的細胞;比例尺,200 μm。(f)用CMNP (EGF)、ES和mn-STESS(EGF 和ES)處理的HaCaT細胞的遷移區域。

圖5. mn-STESS促進體內傷口愈合

(a) mn-STESS促進傷口愈合的示意圖。(b)在第0、3、6、9和12天使用CMNP (EGF)和mn-STESS (EGF和ES)治療傷口區域的代表性數字圖像(n=6)。(c, d)各組在第0、3、6、9、12天的創面面積及相對愈合率定量分析。(n=4個獨立樣本。*p < 0.05。*、#、&分別表示其他組與CD、CMNP、ES差異有統計學意義。所有統計分析均采用單因素方差分析。數據以平均值±SEM表示)。(e)傷口愈合組織的H&E染色顯示新的上皮細胞(NE)、新的肉芽組織(GT)和新的毛囊(HF);GT放大的H&E染色顯示新生血管(NVs)。藍線、黑色矩形、黑色細箭頭和黑色粗箭頭分別表示NE、GT、HF和NV。(f)愈合皮膚NV的定量統計。(n=3個獨立樣本。*p<0.05,**p<0.01。所有統計分析均采用單因素方差分析。數據以平均值±SEM表示)。(g)愈合皮膚新生HF的定量統計。(n=3個獨立樣本。**p < 0.01。所有統計分析均采用單因素方差分析。數據以平均值±SEM表示)。(h, i)用CD、CMNP (EGF)、ES和mn-STESS(EGF和ES)處理創面EGFR(紅色)的代表性熒光圖像和熒光強度。(n = 3個獨立樣本。**p < 0.01,***p < 0.001。所有統計分析均采用單因素方差分析。數據以平均值±SEM表示)。

圖6. mn-STESS改善EGF藥效學以促進傷口愈合示意圖

五、【成果啟示】

該項工作通過整合sf-TENG和CMNP開發了mn-STESS。sf-TENG將手指滑動產生的機械能轉化為電能;CMNP的兩級結構不僅可以輸送藥物,還可以將sf-TENG產生的微電流引入真皮,用于經皮ES。為了應對EGF藥效學挑戰,mn-STESS在三個方面提高了EGF的療效:(i)以微創方式持續遞送EGF,以提高藥物滲透性和利用率;(ii) mn-STESS產生的ES通過調整分子的運動速度抑制GSH介導的EGF還原,從而維持EGF的穩定性;(iii)自供電ES可以上調EGFR表達,改善了受體脫敏現象。細胞和動物實驗證實,mn-STESS增強了EGF的藥效,并通過激活EGF/EGFR通路和下游PI3K促進細胞增殖和遷移。mn-STESS通過促進傷口上皮、血管及毛囊的形成,為傷口治療帶來獲益。該工作提出的“自供電輔助劑”為改善經典藥物的耐受性開辟了新策略。

原文鏈接:

https://doi.org/10.1038/s41467-022-34716-5

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