縱觀人類藥物治療的歷史，口服給藥因其操作要求低、患者依從性高而一直是優先的給藥途徑。然而，大多數生物藥物（肽、蛋白質、核酸和抗體）一旦暴露在嚴酷的胃腸道生化微環境中就很容易失活，并且由于胃腸道的保守吸收選擇性，藥物無法通過粘液或細胞層轉運。因此，生物制劑藥物的口服可用性有限（約為 1%），必須進行腸外注射，這不可避免地會引起疼痛和皮膚感染，往往導致患者依從性差，尤其是慢性病患者不得不經常進行治療性注射。雖然目前的口服給藥技術，如粘液粘附貼片、常駐水凝膠、微裝置和基于顆粒的平臺等已在公開文獻中被提出，以提高生物藥物的局部濃度并延長釋放期，但其生理障礙仍然存在，臨床療效仍有待驗證。如何克服生物藥物口服給藥的困境并提高患者的依從性仍然是一個巨大的挑戰。

受到刺豚（porcupinefish）自我膨脹和展開刺進行防御的能力的啟發，來自清華大學的張明君和徐靜團隊開發了一種腸道微針機器人，其設計目的是吸收腸液進行快速膨脹，并將裝載藥物的微針注入無知覺的腸壁進行給藥。達到平衡體積后，微針機器人會利用有節奏的蠕動收縮來穿透粘膜。然后，機器人的倒鉤微針可在蠕動松弛時脫離本體，保留在粘膜中以釋放藥物。由 14 只小豬參與的大量體內實驗證實了腸道蠕動對微型機器人驅動的有效性，并證明了與皮下注射相當的胰島素輸送效果。可攝取的蠕動微針機器人可能會改變目前主要依賴腸外注射的生物藥物口服給藥方式。相關工作以題為“Pain-free oral delivery of biologic drugs using intestinal peristalsis–actuated microneedle robots"的文章發表在2024年1月5日的國際頂級期刊《Science Advances》。

1. 創新型研究內容

在自然界中，六斑刺鲀（Diodon holocanthus）在受到威脅時會通過吸水迅速膨脹。在這一過程中，刺豚身體上的硬刺和錐形刺會豎立起來，增大體型，并在被吞食時刺傷敵人（圖 1A 和 B）。可以想象，由刺豚啟發的可膨脹微針裝置可以迅速膨脹體積，向腸壁伸出裝載藥物的微針，利用腸蠕動時的蠕動力穿透腸粘液層，輸送生物藥物。同時，某些刺類生物的刺上長有突出的倒鉤，以增強穿透后對組織的粘附力。這種機制會產生一種帶倒鉤的微針結構，這種結構可以從微針裝置中分離出來，并保留在組織中，從而實現藥物輸送和持續釋放。

本研究設計了一種受刺豚啟發的腸道蠕動微針機器人，以協助生物藥物的艱苦口服給藥（圖 1A 和 B）。為了打破藥物吸收障礙，本研究設計了微針機器人，使其在腸液中膨脹成一個大的刺囊，并在蠕動收縮時將微針注入粘膜（圖 1F）。微針上裝有裝載藥物的鉤刺，鉤刺可在蠕動松弛時從微機器人本體分離并串入粘膜以釋放藥物。與已報道的彈簧/氣球發射或場控驅動機制不同，本研究提出的微機器人裝置通過質量傳輸（吸收腸液）和固有腸蠕動發揮作用，無需預置能量或實時外部能量輸入，即可將藥物送入管壁。微針機器人（圖 1F）主要由三部分組成：(i) 負載藥物的倒鉤微針，用于穿透粘膜并保留以持續釋放藥物（刺，圖 1C）；(ii) 可拉伸的基底膜，用于負載微針并抵抗持續蠕動收縮（皮膚，圖 1D）；(iii) 超吸收水凝膠顆粒，用于提供膨脹應力以平衡膜張力并使裝置膨化（腹部的水；圖 1E）。在干燥條件下，可將單個微針機器人封裝到商用 00# 腸溶膠囊中，使其在酸性胃液中保持完整，并在腸道中釋放出來（圖 1G）。暴露在腸液中后，微針機器人會迅速膨脹到平衡狀態，達到所需的大小[與食品藥品管理局（FDA）批準的 PillCam 相當，小于腸腔直徑]，拉伸的薄膜會受到壓力，以支撐刺向腸腔壁豎起（圖 1G 和 H）。由于容積效應，有節奏的腸蠕動收縮可將微針推入粘膜，而松弛過程可將裝有鉤刺和藥物的前部與微針機器人分離，并將裝有藥物的鉤刺鎖定在腸壁上（圖 1I）。

使用微針機器人后對腸道組織進行的組織學分析表明，腸道組織恢復迅速，炎癥反應有限。以胰島素為模型藥物，本研究驗證了其在 60 分鐘內的快速降糖效果，并在對小豬進行 4 小時體內觀察期間將口服生物利用度提高到23.6%，大大高于目前生物制劑口服藥物約 1%的生物利用度。這種由蠕動驅動的機器人可作為目前依賴注射途徑的生物制劑口服給藥的多功能平臺。

圖1 受刺豚腸蠕動啟發的微針機器人，用于口服輸送生物藥物

【微針機器人的構造和特性分析】

為了利用微針機器人的蠕動收縮力進行驅動和微針穿透，微針機器人應具有可膨脹性，以獲得足夠的蠕動壓力，并將微針伸向腸壁。圖 2A 是可膨脹微針機器人的構造過程示意圖。微機器人的微針由聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和聚乙二醇（PEG）的聚合物混合物通過模板輔助光交聯法制成（圖 2AI）。之所以選擇 PEGDA 作為基質，是因為它具有的生物相容性和理想的機械強度。通常情況下，通過快速交聯形成的 PEGDA 緊密網絡的網眼尺寸較小，不利于藥物釋放（圖 2C，左），而且用于微針-膜進一步連接的雙鍵有限。為了克服上述問題，本研究添加了 PEG 作為稀釋劑，以阻礙 PEGDA 的交聯。低溫掃描電子顯微鏡（cryo-SEM）顯微圖像證實，與不含 PEG 的網絡相比，摻入 PEG 的 PEGDA 網絡具有更高的孔隙率和更大的網孔尺寸（圖 2C）。當摻入分子量為 4000 的聚乙二醇（PEG-4000）33 wt % 時，本研究證實嵌入熒光染料的藥物在 3 小時內的釋放率高達 50%（圖 2D），這歸因于松散的網絡和親水性 PEG 的溶解。本研究還考慮過使用其他生物相容性親水聚合物，如聚乙烯醇（PVA）和聚乙烯吡咯烷酮作為稀釋劑來調節藥物釋放速率。然而，這些材料與 PEGDA 混合后會出現快速相分離，這意味著水凝膠網絡中的交聯密度變得更難調節，促進藥物釋放的主要原因是親水性聚合物的快速溶解。通過壓縮試驗（圖 2E）測定，微針在彎曲前的機械強度至少為 30 mN/根，體內豬腸的穿透力為 2.5 mN/根。微針的機械強度隨著 PEG 百分比和 PEG 分子量的增加而降低，這表明交聯程度降低，腫脹程度增大也證明了這一點。穿刺組織的組織學檢查顯示，微針成功穿透了腸壁粘膜（圖 2F）。考慮到潛在的腸穿孔風險，本研究進行了多次穿孔測試，發現至少需要 50 mN 的力和向組織至少 4 mm 的位移才能導致組織穿孔。這些結果證明了 PEGDA/PEG 微針的堅固性，以及在蠕動收縮壓力下安全穿透組織而無穿孔風險。

圖2 微針機器人的制備和表征

【利用蠕動收縮促進粘膜穿透的可膨脹微針機器人】

鑒于腸蠕動的強度與食糜的大小呈正相關，膨脹平衡狀態下機器人的體積可能決定作用于機器人的蠕動收縮力，從而影響藥物微針的穿透效果。為了優化微針機器人的尺寸，本研究選擇了胃腸道解剖和生理結構與人類相似的巴馬小豬作為體內動物模型，進行腸道測壓和微針穿透評估。如圖 3A所示，本研究通過胃鏡將一系列定制設計的不同直徑的壓力傳感器送入小腸，實時測量體內的蠕動壓力。為了消除環境壓力，本研究在膠囊狀壓力傳感器的軸向和徑向兩端都安裝了壓力測量單元，得出的壓力差就是腸蠕動壓力（P_intestine）（圖 3A）。圖 3C 顯示了通過直徑分別為 10 毫米、12 毫米和 14 毫米的壓力傳感器測量的三只小豬 5 分鐘的蠕動壓力曲線摘錄。對于每只小豬，都觀察到了主頻率約為 10 cpm 的持續蠕動壓力，非配對 t 檢驗顯示，使用較大的傳感器進行測試時，平均壓力顯著增加（圖 3D）。由于蠕動壓力來自腸道蠕動的沖力，因此假定在與傳感器直徑相同的微針機器人上施加相同的收縮力。每個微針（F_intestine）上施加的收縮力可由蠕動壓力換算得出（圖 3B）。計算結果表明，當微針機器人的直徑達到14毫米時，單個微針上的F_intestine可能達到10.5 ± 1.3 mN，比文獻中報道的所需穿透力高四倍（圖3D）。這些數據表明，在小型豬模型中，增加機器人裝置的徑向尺寸可以增加作用在其上的蠕動壓力，從而為微針穿透腸壁提供所需的驅動力。

圖3 通過蠕動收縮實現微針穿透

【利用蠕動松弛和倒鉤結構促進粘膜保留的可膨脹微針機器人】

腸蠕動的節律性意味著它不僅包括強烈的收縮，還包括周期性的松弛（圖 4A）。圖 4B 顯示了從蠕動壓力曲線得出的三只小豬在 60 秒內的收縮-松弛交替情況。數據證實，在蠕動過程中，收縮和松弛階段不斷交替，雙向方差分析（ANOVA）檢驗證實，在所有受試小豬中，松弛階段在整個周期中所占的時間比收縮階段長，據統計約占蠕動周期的 67.7%（圖 4C）。然而，長時間的松弛期可能會導致載藥微針脫離粘膜，暴露在惡劣的管腔環境中，最終降低給藥效率（圖 4A）。受某些刺痛生物難以拔出的倒鉤刺的基本原理啟發，本研究為微針構建了一種松樹啟發的倒鉤結構，以增強微針與纖維組織的機械互鎖，從而使倒鉤微針難以從粘膜中拔出，并在蠕動松弛過程中易于從微針機器人上脫落（圖 4D）。松樹啟發的鉤刺微針是通過多軸向光固化工藝制成的（圖 2A 和 4E），在此過程中，只需改變鉤刺層數（n_barb）和兩層之間的邊長比（L_barb），就能調節微針的回縮力（F_out）（圖 4D）。同時，兩層之間的連接力也會隨著重疊高度的變化而變化。為了驗證使用倒鉤結構固定組織的可行性，本研究在活體豬小腸上測試了倒鉤的回縮力（圖 4F）。與裸微針相比，帶刺微針從組織中回縮需要 6.2 mN，而且回縮力隨著 n_barb 和 L_barb 值的增加而增加（圖 4G）。

圖4 通過蠕動收縮和放松保持微針

【體內給藥的有效性和安全性】

為了觀察微針機器人的口服給藥和排泄途徑，本研究首先將裝有X射線造影劑的5個微針機器人經口腔注射到小鼠體內，并在透視下觀察它們的胃腸道分布（圖5A）。由于機器人足夠小，可以裝入商用 00# 腸溶膠囊中，因此在食道和胃中保持完整，并在胃排空后進入腸腔（圖 5A，a 和 b）。通過實驗，本研究觀察到微針機器人的大小會影響胃腸道轉運的效果。由于迷你豬模型的胃排空時間長達 24 小時，幽門狹窄，制備的 30 毫米長的微針機器人直到第五天才出現在腸道中，幽門通過時間長導致五個微針機器人中的四個被強烈的胃收縮擠壓成碎片。為了讓更多的微針機器人能夠完整地進入腸道，本研究又制作了五個直徑與第一批相同的 15 毫米長（第一批微針機器人長度的一半）的微針機器人，并進行了相同的輸送實驗程序。結果表明，較短的微針機器人比較長的微針機器人早一天（第 4 天）通過幽門，而且這五個微針機器人中有四個進入了腸道。進入腸道后，微針機器人開始膨脹并與腸道相互作用（圖 5Ab）。最后，微針機器人在持續的蠕動收縮下被擠壓粉碎（圖 5Ac），較短和較長的微針機器人分別在第 6 天和第 7 天排出胃腸道（圖 5Ad）。這些數據表明，微針機器人可以通過胃腸道，其大小影響了通過時間以及進入腸道發揮功能的能力。考慮到人的胃排空時間比小豬快，幽門比小豬大，微針機器人可以進行進一步的優化，以更短的時間穿過人的胃腸道，使其在人胃內不易被破壞，這是與小豬胃相比的一個優勢。

圖5 在小型豬體內給藥

為了驗證微針機器人的給藥效果，本研究進一步將人重組胰島素注入微針機器人，并在體內放置4小時后測量了小豬血糖和血漿藥物濃度的變化。為了避開較長的胃排空時間并確定觀察起點，本研究直接將微針機器人送入十二指腸，并在動物麻醉后使用胃鏡持續觀察。本研究的機器人給藥方法（0.8 毫克）與皮下注射（0.2 毫克）和腸道灌胃（1.0 毫克）胰島素溶液進行了比較。在取樣期間，機器人給藥法在 180 分鐘內實現了 23.6 ± 10.7% 的血糖下降，與皮下注射法 30.7 ± 10.4% 的下降幅度相當（n = 3）。腸道灌胃組血糖下降不明顯，但在 40 分鐘后略有上升（圖 5B 和 C）。與觀察結果一致，藥代動力學研究顯示，機器人給藥法實現了與皮下注射相當的大劑量胰島素給藥，其相對生物利用度達到 23.6%（n = 5），是腸道灌胃組（0.6%，n = 5）的 37.7 倍（圖 5D 和 E）。

2. 總結與展望

本研究開發了一種非常規的腸道蠕動微針機器人，并在小豬體內演示了其用于腸道微注射和口服給藥的可行性。受刺豚在受到威脅時的膨脹和刺痛防御行為的啟發，微針機器人可以通過吸收腸液膨脹成體積增大的刺囊，并利用徑向蠕動收縮將裝載藥物的微針推入腸壁。微針機器人的平衡容積經過優化，既能為微針穿刺提供足夠的蠕動壓力，又能避免造成腸梗阻。與強烈的一次性給藥模式相比，適度和重復的穿刺過程確保了較高的給藥可靠性，并能有效減少穿刺失誤和穿孔風險。帶倒刺的微針結構使藥物微針在插入后很容易與機器人本體分離，并在蠕動松弛過程中促進微針在腸壁的保留。在小豬體內進行的給藥實驗表明，胰島素具有明顯的降血糖作用，生物利用率高達 23.6%，超過了典型生物制劑口服給藥的生物利用率，在迄今為止公開文獻報道的胰島素腸內給藥機器人（約 10%）中排名靠前。

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