相转化微针血糖连续监测贴剂及其用于胰岛素精准给药的研究

The critical challenge in insulin treatment to diabetes is that the blood sugar must be maintained in a narrow window to avoid hyperglycemic complications and the danger for hypoglycemia by insulin overdose. Continuous monitoring blood sugars will, if feasible, greatly improve the efficacy and safety for insulin administration to the patients who have to take insulin. The currently available blood sugar detectors require sampling blood, for which the patient resistance limits the measuring frequency and correspondent insulin administration. The so-called non-invasive detecting is unable to sample the endocrine interstitial fluid that connected with blood, for which the measurement accuracy is compromised. The applicant propose to utilize phase-transition microneedle patch, a technology invented by the team and proven to be effective in insulin transdermal delivery, to achieve continuous monitoring of blood sugar. The phase-transition microneedles are superior that other microneedles in that 1) the swollen but insoluble needle tips after absorbing the interstitial fluid ensues continuous diffusion path for glucose; 2) the needle’s anti-dissolution cross-linking is achieved by freezing induced micro-crystallization, a mild process for which the glucose indicating agents may be loaded in the needle tips for responding rate optimization. The recently reported “smart tattoos” suggest the feasibility of monitoring the glucose in the dermis interstitial fluid as an indication of blood sugar. Phase-transition microneedle patch may relocate the sugar-detecting site from sub-epidermis to the top of epidermis to avoid leaking, toxicity and the difficulty of replacement of the glucose-sensing agents. In the proposed study, the blood sugar monitoring patch will be developed and its application in directing insulin administration in animal models.

糖尿病患的15%须用胰岛素，其治疗窗口窄，剂量不足难以抑制糖化血红蛋白，防止并发症；剂量过高则有生命之虑；了解血糖水平是胰岛素精准给药的前提。市售血糖仪依赖有创取血，患者抵抗感限制了测试频率和剂量调控。在研的无创测试无法取得与血液相通的内分泌体液，误差过大。申请人运用自己发明并在胰岛素透皮给药上成功的相转化微针技术，提出微创式血糖连续监测贴剂及其指导胰岛素给药的研究。相转化微针用于血糖连续监测的独特优势是：1、微针刺透表皮吸收真皮层体液溶胀却不溶解，持续保持着葡萄糖扩散通道；2、使得针体不溶的内部交联靠非化学反应的冷冻微晶化实现，葡萄糖显色剂可安全地置于微针针体的最佳处，不被破坏。近年来，“智能刺青”连续监测血糖的研究提供了用真皮层葡萄糖反映血糖的方案。相转化微针将其血糖可逆显色位点由表皮之下移至表皮之上，避免了指示剂的流失、毒性、和更换不便。研究中，血糖贴剂将与胰岛素贴剂联用，考察药效。

胰岛素是一型及部分二型糖尿病的必用药，其直接降糖的药理作用要求给药必须及时，剂量必须精准，以达到理想的降糖效果，避免血糖过低的危险。实现这一治疗目标的必要前提之一是对血糖及时而精准的监测。市场上各类血糖仪虽多，无一达到了连续、精准、无创的血糖监测。本课题团队初步比较了比色检测法和电化学检测法后，确定了将血糖检测的电化学反应池集成在不到1毫米的相转化微针中的研究思路（见下图）。团队从电化学、酶化学、化学动力学等角度进行了分析、设计、以及数学拟合，以团队自己开发并验证过的溶胀不溶解的聚乙烯醇纤维膜模拟真皮层，在体外模型上实现了连续、精准的葡萄糖浓度监测。. .上述结果的生物学和化学基础在于人体真皮层的体液中的葡萄糖浓度与血糖接近，葡萄糖氧化酶在微针中的浓度足够大时，电化学反应对葡萄糖呈一级，即电流与葡萄糖浓度正比。聚乙烯醇（PVA）经冷冻微晶交联制备的相转化微针经吸收体液溶胀后仍可锁住葡萄糖氧化酶（MW=160kD），却使葡萄糖及其氧化产物葡萄糖酸进出自由。葡萄糖的酶催化氧化包括四个相关的单元反应（见下图）：i）葡萄糖与氧化态的氧化酶反应生成葡萄糖酸内酯，同时氧化酶吸收葡萄糖的两个H成为还原肽；ii）还原态的氧化酶被水中的氧气氧化脱氢回到氧化态并生成过氧化氢；iii）过氧化氢在Pt电极表面脱去电子和氢离子氧化成氧气；iv）葡萄糖酸内酯快速水合成酸。在这一反应体系中，葡萄糖是唯一的输入反应物，葡萄糖酸和电子是输出产物，而氧化态及还原肽的氧化酶以及氧气和过氧化氢则在反应体系中内循环。. .上述反应中，当葡萄糖氧化酶的浓度远大于进入微针的葡萄糖浓度时，反应对葡萄糖呈一级，电流与葡萄糖浓度正比。实验结果证明了这一分析，葡萄糖浓度在3～30mM之间变化时，电流在10～100 nA之间线性变化；信号强度满足精准信号处理的输入值，显示微针贴剂能够实现血糖的连续、精准、无创的监测。研究者等不及进融资，自费签约了电子器件公司，开发可穿戴的信号处理模块，以验证对动物甚至人体的实时监测（纳安表过大，难以贴附于人体或动物）。