Nat. Commun. 通过微针自供电经皮电刺激改善表皮生长因子的药效学

一、【导读】

表皮生长因子（EGF）是一种由53个氨基酸残基和3个二硫键组成的小分子多肽，在调节细胞生长、生存、迁移、增殖和分化方面起着重要作用，也是一种能加速表皮再生、促进伤口愈合的优良药物，常用于治疗手术伤口、烧伤和糖尿病溃疡等病症。然而，EGF药效的发挥往往受到以下药效学方面的挑战：（1）透皮渗透率低：由于EGF分子量较大，临床常用的乳膏局部给药方式难以使EGF穿透表皮并到达真皮组织；虽然EGF可以通过注射方式经皮给药，但该方法易增加感染风险，同时患者也会因疼痛降低依从性。（2）稳定性差、易被还原失活：EGF在体内的稳定性较差，体内丰富的谷胱甘肽（GSH）可打开EGF的二硫键，导致EGF失活。（3）易发生受体脱敏现象：长期使用EGF刺激会导致受体脱敏，极大地阻碍了EGFR信号通路的激活。因此，可以从以下几个方面来改善EGF在伤口愈合中的药效：（1）以微创的方式提高渗透率；（2）提高EGF的化学稳定性，抑制GSH对EGF的还原；（3）上调EGFR表达以补偿受体脱敏现象。

二、【成果掠影】

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员、罗聃研究员与第三军医大学西南医院张家平主任等人通过集成滑动式摩擦纳米发电机（sf-TENG）和两段式微针释药贴片（CMNP），开发了基于微针的自供电经皮电刺激系统（mn-STESS），在多个层面改善了EGF在用于伤口愈合时的药效。CMNP可穿透角质层，并持续释放EGF达24 h。同时，sf-TENG将手指滑动产生的机械能转化为生物安全的微电流，并通过导电微针实施经皮电刺激（ES）。自供电ES可作为辅助剂，通过调整分子的运动速度来抑制GSH介导的EGF还原，从而维持EGF的稳定性；此外，细胞和动物实验也表明ES同时上调EGFR表达，改善了受体脱敏现象。mn-STESS能够有效改善EGF的药效并促进小鼠伤口愈合。相关研究成果以“Improved pharmacodynamics of epidermal growth factor via microneedles-based self-powered transcutaneous electrical stimulation”为题发表于国际知名期刊《Nature Communications》上。

三、【核心创新点】

1、mn-STESS利用微针刺穿角质层，并将EGF持续递送至真皮层中，改善了药物的渗透性；

2、mn-STESS中整合的sf-TENG将手指滑动的机械能转化为电能，并通过导电微针施加经皮电刺激。mn-STESS施加的电刺激可以作为EGF的“辅助剂”：不仅抑制了GSH对EGF的还原；同时上调了表皮细胞中EGFR的表达，成功的改善了受体脱敏问题。

3、该工作证明了“电辅助剂”在改善药物药效方面具有巨大的应用前景，为传统药物创造了全新的联合治疗策略。

四、【数据概览】

图1. mn-STESS的设计和CMNP性能测试

(a) mn-STESS由sf-TENG、CMNP和敷料组成。CMNP由负载药物的cGel-cHA MNs和作为电极的PLA-Au MNP组成。(b) mn-STESS的三维结构。(c–e) PLA MNP、PLA-Au MNP和CMNP的明场显微镜照片。(f)包载于CMNP的cHA微粒。(g)微针（MNs）的力-位移曲线；（插图）实验装置示意图。(h)MNs的杨氏模量。（n=3个独立样本。数据表示为平均值±SEM）。(i)MNs的封口膜穿透深度。（插图）实验装置示意图。

图2. sf-TENG结构及电学输出

(a)电晕放电系统示意图。 (b) sf-TENG工作原理示意图。 (c、d)手指在sf-TENG上从左向右滑动的照片和COMSOL仿真示意图。( e-g) sf-TENG 的V_OC、I_SC和Q_SC。

图3. mn-STESS体外和体内给药

(a)基于不同载药材料的MNP释放EGF的示意图：(i) cGel MNs；(ii) CMNP和mn-STESS中的cGel-cHA MNs；(iii) CMNP (NS)和mn-STESS (ES)组中EGF和GSH分子的运动。(b)具有不同交联度的cGel MNs的EGF释放效率。（n=3个独立样本。数据表示为平均值±SEM）。(c)具有不同cHA微粒含量的cGel-cHA MNs的EGF释放效率。（n=3个独立样本。数据表示为平均值±SEM）。(d) Gel MNs、cGel MNs、cGel-cHA MNs和mn-STESS的EGF释放效率。（n=3个独立样本，数据表示为平均值±SEM）。(e) mn-STESS在不同时间穿透皮肤的荧光图像。荧光强度由色标表示（右）。蓝色到红色代表最小到最大荧光强度。(f)GSH溶液中来自CMNP和mn-STESS的EGF质量；（插图）EGF和GSH在CMNP（NS，左）和mn-STESS（ES，右）组中的运动行为；黄色部分表示EGF的二硫键。（n=5个独立样本。数据表示为平均值±SEM）。(g) NS和ES下，EGF和GSH的扩散系数。数据表示为平均值±SEM，误差由模拟轨迹分析的均方位移线性拟合产生。(h) ES下，EGF和GSH分子之间的距离，CMNP作为对照组。

图4.ES与EGF协同作用对HaCaT细胞行为的影响

(a) mn-STESS产生ES并释放EGF以促进细胞增殖和迁移。(b)用CMNP (EGF)、ES和mn-STESS（EGF和ES）处理的HaCaT细胞代表性荧光图像，F-actin（绿色）和EGFR（红色）；比例尺，50 µm。(c) HaCaT细胞中EGFR表达的平均荧光强度。（n=3个独立样本。***p < 0.001。所有统计分析均通过单向方差分析进行。数据表示为平均值±SEM）。(d)用CMNP (EGF)、ES和mn-STESS（EGF和ES）处理的HaCaT细胞的相对生长速率。（n=3个独立样本。*p < 0.05。所有统计分析均通过单向方差分析进行。数据表示为平均值± SEM）。(e) HaCaT细胞迁移的代表性图像；红色区域表示迁移的细胞；比例尺，200 µm。(f)用CMNP (EGF)、ES和mn-STESS（EGF 和ES）处理的HaCaT细胞的迁移区域。

图5. mn-STESS促进体内伤口愈合

(a) mn-STESS促进伤口愈合的示意图。(b)在第0、3、6、9和12天使用CMNP (EGF)和mn-STESS (EGF和ES)治疗伤口区域的代表性数字图像(n=6)。(c, d)各组在第0、3、6、9、12天的创面面积及相对愈合率定量分析。(n=4个独立样本。*p < 0.05。*、#、&分别表示其他组与CD、CMNP、ES差异有统计学意义。所有统计分析均采用单因素方差分析。数据以平均值±SEM表示)。(e)伤口愈合组织的H&E染色显示新的上皮细胞(NE)、新的肉芽组织(GT)和新的毛囊(HF)；GT放大的H&E染色显示新生血管(NVs)。蓝线、黑色矩形、黑色细箭头和黑色粗箭头分别表示NE、GT、HF和NV。(f)愈合皮肤NV的定量统计。(n=3个独立样本。*p<0.05，**p<0.01。所有统计分析均采用单因素方差分析。数据以平均值±SEM表示)。(g)愈合皮肤新生HF的定量统计。(n=3个独立样本。**p < 0.01。所有统计分析均采用单因素方差分析。数据以平均值±SEM表示)。(h, i)用CD、CMNP (EGF)、ES和mn-STESS(EGF和ES)处理创面EGFR(红色)的代表性荧光图像和荧光强度。(n = 3个独立样本。**p < 0.01，***p < 0.001。所有统计分析均采用单因素方差分析。数据以平均值±SEM表示)。

图6. mn-STESS改善EGF药效学以促进伤口愈合示意图

五、【成果启示】

该项工作通过整合sf-TENG和CMNP开发了mn-STESS。sf-TENG将手指滑动产生的机械能转化为电能；CMNP的两级结构不仅可以输送药物，还可以将sf-TENG产生的微电流引入真皮，用于经皮ES。为了应对EGF药效学挑战，mn-STESS在三个方面提高了EGF的疗效：（i）以微创方式持续递送EGF，以提高药物渗透性和利用率；(ii) mn-STESS产生的ES通过调整分子的运动速度抑制GSH介导的EGF还原，从而维持EGF的稳定性；(iii)自供电ES可以上调EGFR表达，改善了受体脱敏现象。细胞和动物实验证实，mn-STESS增强了EGF的药效，并通过激活EGF/EGFR通路和下游PI3K促进细胞增殖和迁移。mn-STESS通过促进伤口上皮、血管及毛囊的形成，为伤口治疗带来获益。该工作提出的“自供电辅助剂”为改善经典药物的耐受性开辟了新策略。

原文链接：

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