《Acta Biomaterialia》：Chaotrope-Guided Protein Microneedles with High Drug-Loading Capacity, Ultrafast Dissolution, and High Mechanical Strength
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本研究基于Hofmeister chaotropic效应，开发新型碘化明胶微针（G20I10@），实现快速溶解（10秒）、高机械强度及生物活性。在局部麻醉模型中，15分钟内痛阈提升310%；在雄激素性脱发模型中，协同微针刺激与碘化物免疫调节作用，促进M2巨噬细胞极化及毛囊干细胞激活，显著增强头发生长。该平台将微针从被动载体升级为主动治疗策略，为再生医学和时效治疗提供新方案。
曾康|谢玉佳|张宇琪|董云梅|程宏桥|熊丁|李英璐|娄峰|胡家义|史宇|王振明|叶玲
国家口腔疾病重点实验室，国家口腔医学中心，国家口腔疾病临床研究中心，四川大学华西口腔医院，成都，中国
摘要
传统的可溶解微针在可加工性、机械强度和快速溶解动力学之间存在固有的权衡，这严重限制了它们在时间紧迫的治疗干预中的临床应用。受霍夫迈斯特（Hofmeister）变构效应的启发，我们设计了一种新型的变构诱导蛋白微针，这种微针同时实现了超快溶解、出色的机械强度和保持高生物活性。具体来说，我们制备了碘化物改性的明胶微针（记为G20I10@），并系统评估了其在两种具有临床转化潜力的应用场景中的生物学性能：快速局部麻醉和毛发再生。在局部麻醉模型中，微针基质的超快溶解动力学使得镇痛效果与传统注射相当，在15分钟内将疼痛阈值提高了310%。在雄激素性脱发模型中，碘化物起到了“免疫反应放大器”的作用，与微针介导的微刺激协同作用，重塑了毛囊周围微环境——促进了M2巨噬细胞的极化，激活了毛囊干细胞，最终促进了毛发的强劲再生。总体而言，这些发现建立了一个多功能的基于蛋白的微针平台，它集成了作为递送载体和内在治疗剂的双重功能，从而将微针从被动递送工具提升为再生医学和时间敏感型临床护理的主动治疗策略。
重要性声明
1) 本研究开发了一种通过用变构剂修饰蛋白质来实现即时药物释放的微针。这一创新在需要快速药物起效的临床应用（如麻醉和快速抗炎治疗）中显示出巨大的潜力。
2) 高浓度蛋白质在干燥过程中的收缩限制了其在微针中的应用。在本研究中，通过用变构剂修饰蛋白质降低了蛋白质溶液的粘度，从而为精确制造微针创造了有利条件。这种修饰有效防止了蛋白质微针的收缩，拓宽了基于蛋白的微针的临床应用范围。
3) 本研究发现，碘化物成分作为“免疫反应放大器”，与微针的机械刺激结合，促进了巨噬细胞的M2分化，从而促进了雄激素性脱发的毛发再生。
引言
在局部麻醉和急性疼痛管理等时间紧迫的医疗场景中，通常需要几分钟内就能看到治疗效果。然而，传统的口服和经皮给药途径受到内在生理屏障（如肝脏首过效应和角质层）的限制，这些屏障阻碍了药物的快速作用。可溶解微针（DMNs）由微米级针阵列组成，作为一种微创的经皮递送平台，能够穿透角质层并将药物直接沉积到真皮层，从而实现快速局部或全身给药[1,2]。微针基质的快速溶解是实现即时药物释放的基础。在对外观敏感的应用中（如头皮毛发再生），这种快速溶解还减少了贴片的使用时间，从而提高了患者的依从性。因此，开发兼具高药物装载能力和快速溶解能力的DMNs已成为满足紧急治疗需求的关键。
为了加速药物释放，目前的努力主要集中在起泡剂和超分子策略上[[3], [4], [5]]。起泡系统依靠气泡反应产生二氧化碳来实现微秒级的释放，但其使用仅限于疏水性药物，并且受到气体控制不佳、潜在的组织刺激和严格制造条件的限制[3,6]。相比之下，基于β-环糊精的系统利用主客体包合作用来提高疏水性分子的溶解度并促进基质溶解，但由于其低药物装载能力和高浓度下的制造难度，限制了大规模应用[7]。从材料创新的角度来看，朱的团队最近开创了一种超分子工程方法，直接用小分子药物构建玻璃态微针，实现了100%的药物装载[8]。这种“无载体”的范式克服了基于聚合物的基质的固有局限性，实现了小分子治疗的即时释放。然而，这一概念不能直接应用于复杂的生物大分子（如蛋白质和肽），因为这些分子需要保持三级结构和生物活性。
天然蛋白质，无论是具有生物活性的还是结构惰性的，由于其出色的生物相容性、生物降解性和潜在的生物功能性，已成为制造微针（MN）的有希望的材料，使得药物递送效率与材料生物功能性相结合。在这样的系统中，蛋白质基质不仅可以作为载体，而且在某些情况下还可以作为治疗成分，体现了“药物即材料”的理念——也可能作为其他生物活性成分的支架。尽管有这些优势，但由于材料的固有限制，将蛋白质材料转化为临床可行的微针仍然具有挑战性。高浓度蛋白质溶液通常由于分子链的缠结而表现出过高的粘度，阻碍了精确的成型和可扩展的制造，而溶剂组成、温度和压力等制造参数可能会破坏封装的生物大分子。此外，由于蛋白质基质占据了微针体积的大部分（50–90%），药物装载能力和高剂量递送受到严重限制。另一个挑战在于平衡机械强度和溶解性：微针必须足够坚固以穿透皮肤，同时在生理条件下快速溶解以实现及时的药物释放。因此，推进基于蛋白质的微针技术取决于优化三个相互关联的因素——浓缩蛋白质配方的可加工性、干燥基质的机械完整性以及针体在生物组织中的溶解行为。
霍夫迈斯特效应以调节蛋白质的溶解度、构象和分子间相互作用而闻名，为解决这些竞争性需求提供了一个物理化学框架[[9], [10], [11], [12]]。亲溶剂离子（例如SO?2?、CO?2?）增强了氢键和分子缠结，从而提高了机械强度[13,14]，但我们的初步研究表明，过度稳定可能会导致微针成型过程中的变形[15,16]。相比之下，变构阴离子（例如I?、SCN?）促进了蛋白质的水合作用和链的扩展，降低了粘度以利于加工，并增强了基质的亲水性，加速了水的渗透和溶解[17,18]。这些效应共同为构建快速溶解的基于蛋白质的微针提供了分子依据。因此，我们基于霍夫迈斯特效应开发了一种变构引导策略。具体来说，使用了碘化物和尿素等变构剂来微调蛋白质的构象和分子间相互作用，实现了三个协同效果：（1）水合作用诱导的链扩展，降低了粘度并提高了可加工性；（2）调节了链间相互作用，防止了过于密集、有弹性的交联的形成，从而形成了紧凑且机械强度高的玻璃态基质；（3）形成了一个水合网络结构，促进了水的快速渗透和微针的快速溶解。
作为概念验证，我们使用了明胶这种生物相容且成本效益高的蛋白质，并引入碘化物作为代表性的变构剂，构建了一个新的变构剂功能化蛋白质微针平台。同时，我们使用尿素、锂离子和重组胶原蛋白I对微针系统进行了初步验证，详细信息见补充材料。变构剂介导的蛋白质链移动性的调节，结合两步制造过程，制备出了具有高机械强度和体内快速溶解的基于蛋白质的微针贴片。在局部麻醉模型中，该系统实现了与注射相当的镇痛效果和持久的镇痛效果。在雄激素性脱发模型中，物理刺激和碘化物介导的免疫调节促进了巨噬细胞的M2极化，激活了毛囊干细胞，并增强了毛发再生[19,20]。总体而言，这项研究不仅展示了所提出的微针平台在时间敏感治疗和再生应用中的治疗潜力，还重新定义了微针的概念角色——从被动载体转变为主动治疗实体（图1）。变构效应引导的策略为高剂量蛋白质治疗的快速经皮递送建立了一个通用框架，并推动了完全基于蛋白质的微针系统的临床转化。
材料
明胶购自Sigma-Aldrich（美国）。碘化钠（NaI）、氯化锂（LiCl）、尿素、重组胶原蛋白I和罗丹明B（RhB）购自Aladdin（中国）。Trypan blue购自Solarbio（中国），米诺地尔由浙江三生曼迪药业有限公司提供。Dulbecco改良的Eagle培养基（DMEM）、胎牛血清（FBS）和青霉素-链霉素（PS）抗生素混合物购自Gibco（美国马里兰州盖瑟斯堡）。Hacat角质形成细胞
微针材料的物理化学性能
微针的传统一步制造过程如图2a所示。微针的制造对前体溶液的物理化学性质有严格要求，特别是其流动性和粘度。为了研究变构剂如何调节蛋白质基质的物理化学行为，选择明胶作为模型蛋白质，碘化钠（NaI）作为变构剂。在室温下，20%（w/v）的明胶溶液形成了水凝胶
结论
通过系统研究，我们开发了一种基于霍夫迈斯特效应的变构引导的蛋白质配方策略，其中变构剂（例如碘化物）调节蛋白质的构象和分子间相互作用，构建了一种具有超快溶解、高机械强度和增强药物装载能力的基于蛋白质的微针（MN）平台。具体来说，所得到的碘化物改性的明胶微针（G20I10@）在体外10秒内溶解，并实现了快速
CRediT作者贡献声明
曾康：数据整理、形式分析、研究、方法学、初稿撰写。谢玉佳：数据整理、研究、方法学。张宇琪：监督、验证、撰写——审阅与编辑。董云梅：软件、撰写——审阅与编辑。程宏桥：研究、方法学。熊丁：监督、撰写——审阅与编辑。李英璐：概念化、撰写——审阅与编辑。娄峰：项目管理、资源协调、验证。胡家义：资金支持
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