糖尿病將告別胰島素注射（圖）

2015-06-24 14:25:01　來源: 環球科學-科學美國人中文版(北京)

　　核心提示：這種不大於1便士硬幣的方形薄貼片內面密布超過100個呈矩陣排列的約睫毛粗細的微針頭。這些「微針」內塞滿了包含胰島素和葡萄糖感應酶的微存儲單元，當血糖升高時，可以快速釋放胰島素。

　　來自美國北卡羅來納大學和北卡羅來納州立大學的研究人員最近發明了一種智能胰島素貼片，可以監測血糖水平，當血糖水平升高時可以自動按需釋放胰島素。

　　

　　這項發表在《美國國家科學院院刊》上的研究表明，給糖尿病病人帶來痛苦的胰島素注射有望成為歷史。

　　這種不大於1便士硬幣的方形薄貼片內面密布超過100個呈矩陣排列的約睫毛粗細的微針頭。這些「微針」內塞滿了包含胰島素和葡萄糖感應酶的微存儲單元，當血糖升高時，可以快速釋放胰島素。在1型糖尿病小鼠模型動物實驗研究中，這種新型無痛貼片實現連續九個小時降低血糖在正常水平範圍。當然，該項研究目前僅為動物實驗，在投入臨床使用前還需要進一步臨床前檢驗和人類臨床試驗驗證。但是該顯示出良好的應用前景。

　　研究人員介紹說，他們設計的這種貼片起效迅速，使用方便，是用無毒和生物兼容性好的材料製成。整個系統可以根據患者的體重和胰島素的敏感性進行個性化定製，因此是一種更聰明智能貼片。

　　據統計，目前糖尿病影響全球超過3.87億人，而這一數字預計到2035年將增長到5.92億。1型糖尿病和進展性2型糖尿病患者需要不斷通過刺破手指監測血糖水平，並反覆注射胰島素來盡量控制住他們的血糖水平，這個過程是痛苦的，不精確的。注射藥量錯誤還可導致象失明和截肢等顯著併發症，甚至造成如糖尿病昏迷和死亡等這類災難性後果。

　　此前，研究人員一直試圖通過建立「閉環系統」直接聯合跟蹤血糖和胰島素給葯的裝置來消除注射胰島素帶來的可能的人為錯誤。然而，這些方法涉及機械感測器和泵，以及粘附在皮膚上的帶有針尖導管，並且沒幾天就需要更換。

　　來自北卡羅來納大學和北卡羅來納州立大學的這個研究團隊沒有堅持研發完全人工系統，而是轉向選擇了模仿被稱為β細胞的人體自然生成胰島素的機制。我們知道，這些多功能細胞同時作為車間和倉庫，在一些被稱為囊泡的小囊內製作和儲存胰島素。它們還像報警呼叫中心那樣，可以感受到血糖水平的升高，併發出向血液中釋放胰島素的信號。

　　研究者用自然界中很容易找到的兩種材料構建一種人工囊泡。第一種材料是透明質酸，一種天然物質，常作為許多化妝品的成分。第二種是2-硝基咪唑，一種常用的診斷用機化合物。研究者巧妙地將兩種物質連接在一起創建一種新的分子，一端具有親水性，另一端具有疏水性。這些分子的混合物自組裝成囊泡，很像聚結在水中的油滴，疏水末端朝上向內和親水端指向外。結果形成了數以百萬計的泡囊狀結構，每個泡囊直徑小於人頭髮的百分之一。研究者向這些微泡囊內插入包含胰島素和專門設計用來感測葡萄糖的酶的固體芯。

　　實驗室實驗中，當血糖水平升高，超標的葡萄糖擠進這些人工小泡。該酶將葡萄糖轉化為葡萄糖酸，整個過程同時消耗氧氣。由此造成的「缺氧」使得疏水性2-硝基咪唑分子轉為親水性，從而導致小泡迅速崩潰，釋放胰島素進入血液。

　　設計出這些「智能胰島素納米粒子」后，研究人員還得想出向糖尿病患者給葯的方法。這種方法還不能重蹈之前所使用的大針頭和需要鏈接導管給患者造成痛苦和麻煩的覆轍，他們決定將包含糖感應和胰島素釋放材料的這些泡囊置入矩陣排列的微針內。

　　研究團隊以透明質酸作為納米顆粒的主要成分創建這些納米材料「微針」，經過特殊設計這些細小的針頭硬度足以刺破皮膚。他們將100以上的這些微針矩陣狀排列在一小塊纖薄的硅薄膜片上從而製造出一個看起來象釘床的無痛貼片。將這種貼片粘帖到皮膚上，內面的微針可以穿透皮膚，與下方的微循環連通。

　　研究人員在1型糖尿病的小鼠模型測試了這種裝置控制血糖的能力。他們給一組小鼠進行標準胰島素注射同時測量血糖水平，發現血糖很快下降到正常，但隨後又迅速爬升回到高血糖水平範圍。與此相反，當研究人員給予另一組小鼠處粘附上微針貼片，發現血糖水平在30分鐘內得到良好控制並在數小時內保持正常水平。

　　此外，研究人員發現，他們可以通過改變每個微針中包含的酶劑量來調整貼片將血糖水平控制在需要的一定範圍內。他們還發現，該貼片不產生注射胰島素造成的危害。我們知道，頻繁注射胰島素有可能使血糖直線下降到危險的低水平狀態。

　　北卡羅萊納州的轉化與臨床科學（NC TRACS）研究所主任，也是美國糖尿病協會前會長巴斯說，「糖尿病管理的困難的部分不在於注射胰島素，或血糖檢查，或飲食控制，而在於你的餘生內每一天都不得不多次重複這些事情。

　　「如果我們開發的這種智能貼片在人類也同樣有效，那這將改變糖尿病管理的遊戲規則。」由於小鼠胰島素敏感性低於人類，因此，如果該貼片最終用於臨床，它實際上對血糖的穩定效應可能會持續更長的時間。研究者表示，他們的最終目標，是開發出患者只需要每間隔幾天才需要更換一次的智能胰島素貼。