胰岛素智能贴：不打针无痛苦治疗糖尿病
北卡罗来纳大学和北卡罗莱纳州立大学联合生物医学工程系的科学家开发的智能胰岛素贴片
最近，来自美国北卡罗来纳大学（University of North Carolina，UNC）和北卡罗莱纳州立大学（North Carolina State University，NC）的科学家首次开发了一种能实时检测血糖，并据检测结果向机体释放适量胰岛素的智能胰岛素贴片。研究人员发现这种新颖的无痛贴片可降低1型糖尿病老鼠模型的血糖浓度，一贴的疗效可以持续9个小时。相关论文发表在Proceedings of the National Academy of Sciences上。对于无数糖尿病患者来说，痛苦的胰岛素注射有望成为历史。该贴片的医用前景非常不错，但在临床应用之前还需进行更多的临床前研究及后续的临床试验。
该贴片比较薄，为方形，大小与1美分硬币相当。贴片上面布满了眼睫毛大小的微小针头，有一百多个。这些微小针头装载着微储存单元，储存胰岛素和葡萄糖感应酶。当患者血糖升高，这些酶就与葡萄糖反应以便进行实时血糖浓度检测，针头最终根据检测结果按需释放适量的胰岛素。
文章的第二作者Zhen Gu博士表示，他们发明的智能贴片使用方便，效率高，并且由无毒且生物相容性好的材料制备而成。他补充说：整个系统可根据糖尿病患者的体重和对胰岛素的敏感性作个性化改进，所以我们可以使这种智能贴片变得更加智能。
糖尿病是全球性的疾病，目前全球有3.87亿糖尿病患者，预计到2035年会达到5.92亿。1型糖尿病和超前型2型糖尿病需要每日刺破手指来检测血糖浓度，并重复注射胰岛素，这样的护理过程不仅痛苦，而且用药非常不精准。PNAS论文的第二作者，北卡罗来纳大学糖尿病护理中心主任John Buse说：注射错误的（胰岛素）药量会引起严重的并发症，如失明和截肢；有的甚至会造成更加灾难性的后果，如糖尿病性昏迷和死亡。
研究人员通过闭环系统（closed-loop systems）将血糖浓度监测与胰岛素用药两大环节连接起来，以期避免护理过程中的人为失误。为实现这一目标，他们需要用到机械传感器和微型泵，以及可以黏附在皮肤上的微型针头，每几天更换一次。
智能胰岛素贴片的微型针头近距离荧光成像（标记为绿色）
Gu及其同事并没有另外发明完全人造的系统，而是对人体内产胰岛素的细胞进行仿真。这种细胞是多面手，可作为胰岛素的生产工厂和存储仓库，分泌的胰岛素储存在囊泡（载体）里。它们如同紧急呼救中心，一旦获悉血糖水平升高，立马发送信号将胰岛素注入血流之中。PNAS论文的第一作者Jiching Yu说：我们已经应用两种材料制备了与细胞功能相同的人造载体，这两种材料在自然界中很容易发现。
第一种材料是透明质酸（HA），它是许多化妆品的天然成分。第二种材料是2-硝基咪唑（NI），是通常用于诊断的有机化合物。研究人员用这两种物质合成了一种新的分子。该分子一端是疏水基团（NI），另一端是亲水性基团（HA）。和油滴在水中聚集一样，大量这种分子可自行组装为疏水基团朝内，亲水基团朝外的气泡状载体。单个载体的大小不足头发丝的1/100。研究人员将含有胰岛素以及特异葡萄糖感应酶的固体核心插入到载体里面。
实验室研究表明，当血糖浓度升高时，大量葡萄糖挤进这种人造载体。随后，酶将葡萄糖转变为葡萄糖酸，造成氧气消耗。缺氧状态使得载体分子的2-硝基咪唑（NI）部分转变为亲水性，从而导致载体迅速解体，最终将胰岛素释放到皮下微循环之中。
要想把这种载体设计成智能释放胰岛素的纳米颗粒，就必须想办法改进给药方式。研究人员放弃使用常用的针筒，而是将装有葡萄糖感应酶和胰岛素的微载体组装成矩阵排列的微型针头。微型针头可以刺破皮肤，并按照上述原理发挥血糖监测和胰岛素按需给药的功能。
Gu使用分子结构相同但刚性更强的透明质酸作为纳米颗粒的主要成分，制备了更加尖锐，足以刺破皮肤的微型针头。他们将上百个微型针头排列在薄硅片上，形成微小的铁钉床一样的贴片。这种贴片往身上一贴，微型针头就刺破皮肤毛细血管壁，直接接触微循环血液。
研究人员在1型糖尿病的模型老鼠身上测试了该贴片控制血糖水平的效果。对照组小鼠按常规方法检测血糖浓度和注射胰岛素，其血糖浓度可恢复正常水平但很快又出现反弹。相反，使用贴片的实验组小鼠，可以在半小时内将血糖平稳地控制在正常水平，并维持数小时之久。
研究人员另外发现，只要控制每个微载体内葡萄糖感应酶的剂量，就能微调贴片释放胰岛素的剂量，进而将血糖水平控制在特定范围内。此外，使用该贴片也不会出现常规胰岛素注射导致的危险状况。由于对血糖水平把握不准，常规的胰岛素注射过于频繁时，会导致血糖直接降低到危及健康与生命的水平。
北卡罗莱纳州转化与临床科学研究所主任，前美国糖尿病学会会长Buse说：糖尿病护理最难做的不是胰岛素注射、血糖检测或饮食控制，而是必须在余生的每一天都重复几次这些事情。如果能将该贴片成功开发用于患者身上，那我们将成为游戏规则的变革者。
由于小鼠比人类对胰岛素的敏感性更低，研究人员认为该贴片稳定血糖水平的疗效对于真正的患者来说可能持续的时间更久。Gu表示，他们的终极目标是开发一种只需数天更换一次的智能胰岛素贴片。
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