浙大顾臻、王金强‌JACS：受贻贝启发的膜封装策略：为长效葡萄糖响应性胰岛素注射晶体开发新路径

对于需要长期胰岛素治疗的糖尿病患者而言，实现安全、平稳且智能的血糖管理一直是临床上的重大挑战。传统的胰岛素注射方式难以模拟生理性的胰岛素分泌，且存在低血糖风险。近日，一项发表于《美国化学会志》（JACS）的研究带来突破性进展，研究人员受海洋贻贝的超强粘附性能启发，开发出一种名为Ins-PM-FPBA的新型葡萄糖响应性胰岛素晶体制剂。该制剂通过单次皮下注射，即可在糖尿病小鼠和迷你猪模型中实现长达9天和近8天的正常血糖维持，并展现出优异的生物相容性和低血糖风险，为长效、智能的糖尿病治疗提供了全新思路。

这项研究的关键创新在于，浙江大学王金强‌教授、顾臻教授和浙江省人民医院叶潇副主任医师合作，巧妙模拟了贻贝足丝蛋白（Mfps）中关键的粘附与内聚机制，即儿茶酚-赖氨酸协同作用和氧化交联。他们利用经3,4-二羟基苯乙酸（DOPAC）修饰的聚赖氨酸（PLL），在胰岛素晶体表面原位构建了一层致密、稳定且均匀的纳米膜（Ins-PM）。这层膜形成了尺寸小于胰岛素分子水动力学直径的纳米通道，从而实现了极高的药物包封效率、载药量（高达83.5 ± 1.6 wt%）以及优异的药物缓释性能。在此基础之上，研究者进一步将具有葡萄糖响应特性的4-羧基-3-氟苯硼酸（FPBA）修饰到膜上，最终获得了兼具长效缓释和智能响应功能的Ins-PM-FPBA制剂（图1a）。相关论文以“Mussel-Inspired Membrane Encapsulation Strategy for Developing Long-Acting Glucose-Responsive Injectable Insulin Crystals”为题，发表在JACS上。

贻贝灵感构建智能"外衣"

研究人员首先通过酰胺化反应合成了不同DOPAC修饰度的PLL-DOPAC聚合物，并在温和的氧化条件下将其包覆于胰岛素晶体表面。扫描电镜（SEM）图像清晰显示，包覆后的胰岛素晶体（Ins-PM）依然保持了原有的晶体形态和尺寸（图1c, 1d），但其表面从光滑（图1e）变为粗糙（图1f），证明了膜的成功形成。透射电镜（TEM）图像进一步确证了其核壳结构（图1g），而共聚焦显微镜图像则直观展示了膜在晶体表面的均匀包覆（图1h）。X射线衍射（XRD）图谱表明，包覆过程并未破坏胰岛素晶体的内部结构（图1i）。通过改变DOPAC的修饰比例，研究人员能够调控膜的表面电荷（图1j）和孔径（图1k），其中Ins-PM₀.₂₂展现出了最佳的载药性能。FPBA修饰后的制剂保留了原始形态（图1l），表面电荷由正转负，确证了功能分子的成功引入。

图1. Ins-PM-FPBA的设计、制备与表征。 （a）Ins-PM-FPBA的合成、结构及葡萄糖响应性胰岛素释放机制示意图。持续释放源于致密的膜屏障作用，而葡萄糖响应性释放则由膜电位变化和不同葡萄糖浓度下非共价相互作用的改变所介导。 （b）胰岛素晶体和Ins-PM₀.₂₂的代表性照片。 （c）胰岛素晶体和（d）Ins-PM₀.₂₂的代表性SEM图像。比例尺，10 μm。 （e）包覆前和（f）包覆后晶体表面的代表性SEM图像。比例尺，1 μm。 （g）冷冻切片的Ins-PM₀.₂₂颗粒的代表性TEM图像。比例尺，200 nm。 （h）被AF488标记膜（绿色）包覆的Ins-PM₀.₂₂的代表性共聚焦图像。比例尺，50 μm。 （i）胰岛素晶体和Ins-PM₀.₂₂的XRD图谱。 （j）具有不同DOPAC修饰比例的Ins-PM和Ins-PM-FPBA混悬液的Zeta电位。数据为均值±s.d.（n = 3个独立实验）。 （k）Ins-PM₀.₂₂粉末的孔径分布。 （l）Ins-PM₀.₂₂-FPBA的代表性SEM图像。比例尺，10 μm。

葡萄糖响应释放的"开关"机制

在引入FPBA后，制剂的Zeta电位由正转负，并获得了葡萄糖响应性。体外释放实验表明，在模拟高血糖（400 mg/dL）环境下，Ins-PM₀.₂₂-FPBA的胰岛素释放量显著高于正常血糖（100 mg/dL）环境（图2c），且响应迅速（图2b, 2d）。为了深入揭示其响应机制，研究者进行了分子动力学模拟。模拟结果显示，当葡萄糖与FPBA结合后，聚合物链间的非共价相互作用（如静电作用、π-π堆积）显著减弱，而聚合物与水分子的亲和力增强，导致膜结构变得疏松，聚合物链间距离从1.14 nm增加至1.30 nm（图2e, 2f）。这种由葡萄糖结合引发的微观结构变化，为快速胰岛素释放提供了分子层面的解释（图2g）。除了上述膜结构疏松化机制外，FPBA与葡萄糖结合后还会使膜电位向负方向移动（图2a），减弱膜对带正电荷的胰岛素分子的静电吸引，双重机制共同促进了胰岛素的加速释放。

图2. Ins-PM-FPBA混悬液的体外葡萄糖响应性释放。 （a）具有12%、22%、35%和45% DOPAC修饰比例的Ins-PM-FPBA膜在不同葡萄糖浓度下的Zeta电位。数据为均值±s.d.（n = 3个独立实验）。 具有19%（b）、22%（c）和35%（d）DOPAC修饰比例的Ins-PM-FPBA混悬液（3 mg/mL）的葡萄糖响应性胰岛素释放。数据为均值±s.d.（n = 3个独立样本）。比较了葡萄糖浓度为400 mg/dL和100 mg/dL时的累积释放量以计算P值。 （e）分子动力学模拟显示葡萄糖结合前（上）和结合后（下）的Ins-PM₀.₂₂-FPBA膜的平衡快照。为清晰起见，未显示水分子和离子。膜采用快速表面绘制方法显示，其中葡萄糖和FPBA基团分别用紫色和粉色高亮以显示葡萄糖与FPBA基团的结合。 （f）葡萄糖结合前（上）和结合后（下）聚合物链间的距离分布。 （g）整个模拟模型中聚合物间（上）以及聚合物与水（下）的相互作用能。通过单因素方差分析进行多重比较以确定统计学显著性。两组间差异采用双尾非配对Student's t检验分析。*P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001, ****P < 0.0001, ns表示无显著性差异。

卓越的体内降糖疗效与智能调控

在链脲佐菌素（STZ）诱导的1型糖尿病小鼠模型中，单次注射Ins-PM₀.₂₂-FPBA（40 mg/kg）即可将小鼠的血糖水平维持在正常范围（低于200 mg/dL）长达218小时（图3a），其平均血浆胰岛素水平（APIL）在8天内持续高于10 ng/mL。连续三次注射该制剂（剂量分别为40.0 mg/kg、30.8 mg/kg和41.6 mg/kg），分别维持正常血糖192、168和144小时（图3b），而对照组使用未包覆胰岛素晶体的小鼠（40 mg/kg），其正常血糖仅维持了6小时。进一步的腹腔葡萄糖耐量试验（IPGTT）证实，在第1、4、8天，该制剂均能有效调控血糖响应（图3c），其曲线下面积（AUC）分析也支持了这一结论（图3d）。葡萄糖刺激的胰岛素释放实验进一步证实，该制剂能够在体内根据血糖波动"按需"释放胰岛素，当血糖升高时APIL同步上升，血糖回落后APIL也随之下降，展现出智能响应的特性（图3e, 3f）。

图3. Ins-PM₀.₂₂-FPBA在1型糖尿病小鼠中的治疗效果。 （a）单次皮下注射40 mg/kg Ins-PM₀.₂₂-FPBA后糖尿病小鼠的血糖曲线。 （b）三次连续皮下注射Ins-PM₀.₂₂-FPBA治疗的糖尿病小鼠的血糖调控。注射时间用红色箭头标出。第一次、第二次和第三次的Ins-PM₀.₂₂-FPBA剂量分别为40.0 mg/kg、30.8 mg/kg和41.6 mg/kg。 （c）健康小鼠和糖尿病小鼠在注射后第1、4和8天（Ins-PM₀.₂₂-FPBA，40 mg/kg）的IPGTT。葡萄糖以1.5 g/kg的剂量进行腹腔注射。 （d）图（c）中数据的相应AUC分析。 （e、f）治疗后第1、4和8天（Ins-PM₀.₂₂-FPBA，40 mg/kg）腹腔注射葡萄糖（3 g/kg）后糖尿病小鼠的血糖（e）和APIL（f）。将各时间点的APIL与0分钟时的进行比较以计算P值。本图中所有数据均为均值±s.d.（n = 5个生物学独立样本）。两组间差异采用双尾非配对Student's t检验分析。*P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001, ****P < 0.0001。

该制剂的优越性在更接近临床的大动物模型中得到了进一步验证。在1型糖尿病迷你猪模型中，未经治疗的糖尿病猪血糖持续高于200 mg/dL（图4a）。作为阳性对照，单次注射甘精胰岛素维持正常血糖的时间不足24小时（图4b），即使每日注射，7天内也出现了明显的血糖波动和低血糖事件（图4c）。相比之下，单次注射Ins-PM₀.₂₂-FPBA可使Pig-1、Pig-2和Pig-3分别维持正常血糖长达190、104和177小时（图4d）。在整个治疗周期内，猪的血清胰岛素水平保持稳定（图4e），并且在第4天的静脉葡萄糖耐量试验中，血糖升高后血清胰岛素水平同步上升，再次证实了其体内葡萄糖触发的胰岛素释放能力（图4f）。

图4. Ins-PM₀.₂₂-FPBA在1型糖尿病猪中的治疗效果。 （a）未经治疗的1型糖尿病猪的血糖。 （b、c）单次注射（b）和每日注射甘精胰岛素（Lantus，U-100）7天（c）后1型糖尿病猪的血糖曲线。Pig-1、Pig-2和Pig-3的甘精胰岛素皮下注射剂量分别为0.20 U/kg、0.25 U/kg和0.24 U/kg。 （d）单次注射Ins-PM₀.₂₂-FPBA后1型糖尿病猪的血糖调控。Pig-1、Pig-2和Pig-3的Ins-PM₀.₂₂-FPBA皮下注射剂量分别为0.32 mg/kg、0.20 mg/kg和0.25 mg/kg。 （e）Ins-PM₀.₂₂-FPBA治疗后11天内的胰岛素药代动力学。 （f）治疗后第4天的血糖响应性胰岛素释放。

良好的生物安全性与降解代谢

生物安全性是药物长期应用的关键。体内荧光成像实验显示，构成膜的聚合物材料主要经肝脏代谢（图5a），注射部位的荧光信号随时间逐渐减弱——第一个月内清除较为缓慢，此后加速，至2个月时已基本清除（图5b）。对治疗小鼠的血清生化指标（图5c）和血细胞计数（图5d）分析也未发现显著异常。组织学分析表明，注射部位周围在1周和1个月时均未出现明显的纤维囊形成或中性粒细胞浸润（图5e），证明了该制剂具有良好的生物相容性。

图5. Ins-PM₀.₂₂-FPBA在小鼠中的生物安全性评价。 （a）Ins-PM₀.₂₂-FPBA的Cy5标记膜材料在主要器官（从上至下依次为心、肝、脾、肺、肾）中的随时间变化的生物分布。 （b）经Cy5标记膜材料处理的健康小鼠的代表性荧光图像。 （c）Ins-PM₀.₂₂-FPBA治疗后第9天糖尿病小鼠的血清生化指标和（d）血细胞计数。接受PBS缓冲液的糖尿病小鼠和健康小鼠作为对照组。数据为均值±s.d.（n = 5个生物学独立样本）。ALP，碱性磷酸酶；AST，天冬氨酸转氨酶；ALT，丙氨酸转氨酶；BUN，血尿素氮。RBC，红细胞；PLT，血小板；WBC，白细胞；NEUT，中性粒细胞；LYMPH，淋巴细胞；MONO，单核细胞；EO，嗜酸性粒细胞；BASO，嗜碱性粒细胞。 （e）治疗后1周和1个月注射部位周围皮肤的H&E和M&T染色代表性图像。比例尺，500 μm。未治疗的糖尿病小鼠作为对照。

总结与展望

综上所述，这项研究成功开发了一种基于仿生膜封装策略的新型胰岛素递送系统。它巧妙地结合了贻贝启发的粘附与内聚机制，解决了传统长效制剂载药量低、释放不可控等核心问题。通过单次注射，Ins-PM-FPBA能够在糖尿病小鼠和迷你猪体内实现长达数周的血糖智能调控，并展现出优异的生物安全性。这种膜封装策略不仅为1型糖尿病的治疗提供了极具前景的方案，更为其他亲水性药物的长效、智能递送开辟了一条通用技术路径，具有广阔的临床转化前景。