本文由Qian Chen、Zhisheng Xiao、Chao Wang等作者共同撰写，主要研究机构包括加州大学洛杉矶分校生物工程系、北卡罗来纳大学教堂山分校与北卡罗来纳州立大学生物医学工程联合系、苏州大学功能纳米与软物质研究院等。该研究于2022年11月22日发表在《ACS Nano》期刊上，题为“Microneedle Patches Loaded with Nanovesicles for Glucose Transporter-Mediated Insulin Delivery”。

研究背景

糖尿病是一种慢性疾病，全球患者数量在2021年已达到5.37亿，预计到2045年将增至7.83亿。胰岛素是1型糖尿病和晚期2型糖尿病患者控制血糖的关键药物，但传统的胰岛素给药方式难以模拟胰腺β细胞的生理性胰岛素分泌，导致血糖控制不佳，可能引发失明、截肢、心血管疾病和肾衰竭等严重并发症。此外，过量胰岛素还可能导致低血糖，严重时甚至危及生命。因此，开发一种能够模拟β细胞智能分泌胰岛素的葡萄糖响应型胰岛素递送系统具有重要意义。

现有的闭环系统（结合持续血糖监测传感器和胰岛素注射泵）虽然取得了一定进展，但仍面临传感器可靠性、算法准确性和生物污染等挑战。基于合成材料的葡萄糖响应型系统虽然表现出一定的潜力，但长期毒性、免疫反应和生理环境中的稳定性问题仍未解决。本研究提出了一种基于葡萄糖转运蛋白（Glucose Transporter, GLUT）的葡萄糖响应型胰岛素递送系统，利用微针阵列（Microneedle, MN）实现无痛、便捷的胰岛素递送。

研究流程

1. 红细胞囊泡的制备与表征
   研究首先从小鼠红细胞中提取膜囊泡（RBC vesicles），并通过0.8 μm和0.22 μm的聚碳酸酯膜过滤器进行连续挤压，制备出直径约200 nm的均匀球形囊泡。透射电子显微镜（TEM）和动态光散射（DLS）验证了囊泡的形态和尺寸。通过SDS-PAGE和Western blot分析，确认了囊泡上存在葡萄糖转运蛋白4（GLUT4）。随后，将葡萄糖胺修饰的胰岛素（Glu-insulin）与红细胞囊泡结合，形成RBC-insulin vesicles。通过竞争性结合实验，验证了在高葡萄糖浓度下，Glu-insulin能够快速从囊泡中释放。

2. 微针阵列的制备与表征
   研究采用交联透明质酸（Hyaluronic Acid, HA）制备微针阵列。将RBC-insulin vesicles加载到微针尖端，并在其上层加载额外的游离Glu-insulin作为“储存胰岛素”。微针阵列的机械强度为0.55 N/针，足以穿透皮肤。通过荧光显微镜和扫描电子显微镜（SEM）验证了微针的形态和胰岛素分布。

3. 体外胰岛素释放实验
   在不同葡萄糖浓度（0、100、400 mg/dL）的磷酸盐缓冲液（PBS）中，研究评估了RBC-insulin vesicles的胰岛素释放行为。结果显示，在400 mg/dL的高葡萄糖浓度下，胰岛素释放显著增加，表明该系统具有葡萄糖响应性。

4. 动物实验
   在链脲佐菌素（STZ）诱导的1型糖尿病小鼠模型中，研究评估了RBC-insulin vesicles加载微针的治疗效果。结果显示，与皮下注射游离胰岛素相比，RBC-insulin-MN能够更长时间地维持血糖水平，且未引起低血糖。通过腹腔葡萄糖耐量试验（IPGTT），进一步验证了该系统的葡萄糖响应性。

5. 脂质体的扩展研究
   研究还扩展了基于GLUT1的脂质体系统，通过将GLUT1锚定在脂质体膜上，实现了类似的葡萄糖响应性胰岛素释放。在糖尿病小鼠模型中，脂质体系统同样表现出良好的血糖控制效果。

主要结果

1. 红细胞囊泡的葡萄糖响应性
   在高葡萄糖浓度下，Glu-insulin能够快速从RBC-insulin vesicles中释放，释放量显著高于对照组和正常血糖组。

2. 微针阵列的机械性能与穿透性
   微针阵列的机械强度足以穿透皮肤，且在小鼠皮肤上形成了明显的穿透痕迹。伤口在24小时内迅速愈合。

3. 动物实验的疗效
   在糖尿病小鼠模型中，RBC-insulin-MN能够快速降低血糖，并在5小时内维持血糖水平在200 mg/dL左右，未引起低血糖。IPGTT结果显示，该系统对葡萄糖挑战具有更高的响应性。

4. 脂质体系统的扩展
   基于GLUT1的脂质体系统在糖尿病小鼠模型中同样表现出良好的血糖控制效果，且低血糖风险较低。

结论

本研究开发了一种基于红细胞囊泡和脂质体的葡萄糖响应型胰岛素递送系统，通过微针阵列实现无痛、便捷的胰岛素递送。该系统在高葡萄糖浓度下能够快速释放胰岛素，有效控制血糖水平，且低血糖风险较低。这一策略为糖尿病治疗提供了一种新的智能递送系统，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

1. 创新的葡萄糖响应机制
   利用葡萄糖转运蛋白（GLUT）与葡萄糖胺修饰胰岛素的竞争性结合，实现了高葡萄糖浓度下的快速胰岛素释放。

2. 微针阵列的无痛递送
   微针阵列的机械强度足以穿透皮肤，且伤口愈合迅速，为糖尿病患者提供了一种无痛、便捷的胰岛素递送方式。

3. 扩展的脂质体系统
   通过将GLUT1锚定在脂质体膜上，进一步扩展了该系统的应用范围，展示了其在糖尿病治疗中的潜力。

4. 显著的动物实验疗效
   在糖尿病小鼠模型中，该系统能够有效控制血糖水平，且未引起低血糖，展示了其临床应用的前景。

研究意义

本研究为糖尿病治疗提供了一种新型的智能胰岛素递送系统，能够模拟胰腺β细胞的生理性胰岛素分泌，有效控制血糖水平，降低低血糖风险。该系统的无痛、便捷特性使其在临床应用中具有广阔的前景，有望改善糖尿病患者的生活质量。