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治疗性蛋白质，特别是单克隆抗体(mAb)和基于mAb的药物，已广泛应用于各种医疗适应症，包括肿瘤和非肿瘤应用。微针(MN)贴片为单克隆抗体(mAb)的经皮给药提供了一种无痛的替代方法，但现有的可溶解MN受到低药物负载能力(DLC)的阻碍。
在本研究中，来自中南大学李乾斌联合中科中山药物创新研究院/上海药物研究所黄永焯团队开发了一种通过传统溶液浇铸法制备载有mAb的可溶解微针的无赋形剂方法。微针尖端由浓缩的mAb溶液制成，不含载体聚合物，仅由mAb组成。作者使用抗IL17A（IL-17A单克隆抗体）作为模型药物测试了微针的透皮性能，并在银屑病小鼠模型中评估了抗IL-17A dMN的体内治疗效力。
相关研究成果以“Carrier Polymer-Free Dissolvable Microneedles Enable Superhigh Drug Payload for Percutaneous Protein Delivery”为题于2024年10月7日发表在《ACS Materials Letters》上。
图1 微针的制备及实物图
1.形态、药物载量和尖端完整性观察
作者首先描述了无载体聚合物的微针（MN）的制造和评估过程，这些微针旨在通过皮肤直接传递高负荷的单克隆抗体。使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具制造微针（MN）贴片，描述了用于制造这些MN的两步溶液铸造方法，强调了尖端部分的蛋白质基成分（图1A-C）。微针的形态通过SEM进行了表征（图2A）。此外，通过不同的铸造周期，微针的药物载荷能力得到了显著提高。经过六次铸造周期后，抗体载荷量可达到1.00 ± 0.02 mg，药物载荷容量（DLC）高达69.9%。
为了避免尖端与背衬层之间的相互渗透，研究中使用了浓缩的单克隆抗体溶液来制备针尖，通过荧光显微镜技术观察到铸造周期显著影响了尖端的完整性和层间渗透。图2C展示了重复铸造周期后尖端完整性的提高（通过减少红色荧光的HA显示）以及层间渗透的减少（通过绿色和红色荧光的减少重叠显示）。作者还探讨了在临界浓度以上的多糖（淀粉）和蛋白（明胶）溶液不相容并且在混合时可以形成双水相系统的性质，这可能解释了两层之间溶质渗透的减少。图2D中展示了这种现象的验证，其中IgG溶液与HA溶液的分层持续时间随IgG浓度的增加而延长。该部分有效描述了无载体微针在药物载荷和尖端完整性方面的优势，特别强调了通过改进制造工艺提高微针的药物载荷能力及其在递药系统中的潜在应用。
图2 微针的形态、载药能力及渗透性
2.MNS的机械性能
接下来，作者对微针（MN）的机械性能进行了探究，主要关注微针在不同条件下的结构完整性和压缩承载能力，主要包括不同缓冲溶液、蛋白类型及其浓度如何影响微针的机械强度。随着加载应力的增加，微针尖端逐渐发生弯曲（图3B）。接着进一步评估了不同缓冲溶液对微针机械性能的影响。使用组氨酸和柠檬酸缓冲溶液制备的微针表现出比使用乙酸钠缓冲溶液更高的机械强度，这可能与组氨酸和柠檬酸缓冲溶液在增强分子间相互作用方面的特性有关（图3C）。此外，研究还探讨了不同分子量的蛋白（如卵清蛋白和牛血清蛋白）制备的微针的压缩负载力。结果显示，高分子量蛋白（如IgG和双特异性IgG）制备的微针显示出更高的压缩负载力，说明高分子量蛋白有助于提升微针的机械强度（图3D）。随着蛋白浓度的增加，从40 mg/mL增至220 mg/mL，微针的机械强度从26.5 N提高到了41.3 N，这表明更高的蛋白浓度通过增强分子间相互作用，从而提高了微针的机械强度（图3E）。
图3 微针的机械性能
3.皮肤渗透和透皮给药评估
作者进一步探讨了微针（MN）的皮肤穿透能力和跨皮传递效率，特别是将聚乙烯吡咯烷酮（PVP）微针与无载体免疫球蛋白G（IgG）微针的性能进行了比较。首先介绍了评估微针穿透皮肤的力学测试，使用纹理分析器来测量微针穿透猪皮时所需的力量（图4A）。此外，作者比较了Ab MNs和PVP MNs在皮肤中的溶解速度。结果表明，Ab MNs的解体速度（4分钟）快于PVP MNs（6分钟），显示了其优越的物理化学性质（图4D）。显微镜图像显示了微针对皮肤的穿透和局部影响（图4C）。作者还使用圆二色谱（CD）技术评估了微针尖端中蛋白的结构在溶液铸造和干燥过程中是否发生变化。CD光谱分析结果显示，溶解后的微针尖端的远紫外和近紫外CD光谱与新鲜IgG溶液相似，表明在制造过程中蛋白结构未发生显著改变（图4E）。最后，通过对储存6个月后的微针进行蛋白聚集、机械性能和生物活性测试，验证了微针的长期稳定性（图4F）。
图4 IgG和PVP dMN的机械特性以及IgG dMN贴片的稳定性
4.抗体透皮给药评估
使用Franz扩散池装置对抗体微球穿过猪离体皮肤进行渗透（图5A）。图5B显示了24小时内抗体微球的体外渗透曲线。24小时内累积渗透IgG经测定为16.6 μg/cm2。因此，皮肤中的IgG含量在0.5小时时为29.4 μg/cm2，在24小时时为18.5 μg/cm2。结果表明有效载荷抗体被有效地递送到皮肤中并随后渗透过皮肤。
图5 dMN贴剂的皮肤渗透性、抗体释放及dMN贴剂的体内实验研究
5.体内抗银屑病评估
最后，作者评估了微针（MN）递送抗IL-17A抗体在活体中对银屑病模型的治疗效果。本研究使用了特定的小鼠模型来模拟人类的银屑病，并观察微针递送系统与传统皮下注射方法的疗效比较。抗IL-17A是一种针对促炎症细胞因子IL-17A的治疗性抗体，该因子在银屑病的发展中起着关键作用。小鼠模型通过局部应用致炎剂来诱发银屑病样皮肤病变，以模拟疾病状态。疗效的评估主要基于PASI分数（银屑病面积和严重度指数）、体重变化和皮肤病理学改变。治疗后，使用特定评分系统定量分析治疗前后的皮肤病变严重度（图5C-D）。治疗后，与未经处理的对照组相比，通过微针递送的抗IL-17A和传统皮下注射的抗IL-17A均显著减轻了银屑病症状。微针递送系统在减轻皮肤红斑、鳞屑和皮肤增厚方面的效果与传统注射方式相当（图5E）。结果表明，微针系统能够有效地递送足够剂量的治疗性抗体，通过皮肤递送达到与传统皮下注射相似的疗效，这对于提高患者依从性和治疗舒适度具有重要意义。
综上，该研究展示了一种无载体聚合物的可溶性微针（MN）技术，有效实现了高达69.9%的药物载荷量和优异的机械性能，能够快速穿透皮肤并迅速释放药物，同时保持药物的生物活性。此外，通过使用纯蛋白质溶液而非聚合物载体，增加了系统的安全性和生物相容性。在银屑病小鼠模型中，该微针系统证明了其与传统皮下注射相当的治疗效果，显示了其作为跨皮药物递送系统在临床应用中的巨大潜力。
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