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为解决胰岛素依赖型糖尿病患者低血糖的问题，研究人员开展了基于邻苯二酚和硼酸化学设计自交联水凝胶微针（MN）贴片的研究。结果显示该贴片能在低血糖时响应性释放锌 - 胰高血糖素（Z-GCN），预防低血糖，对改善低血糖管理有重要意义。
在糖尿病治疗领域，胰岛素依赖型糖尿病患者常面临低血糖的困扰。低血糖（血糖水平≤70mg/dL）是胰岛素治疗中最严重的急性并发症，若未及时治疗可能危及生命。当前，低血糖的治疗手段主要是急救胰高血糖素试剂盒或鼻粉喷雾，但这些方法需要他人协助，对于那些无法察觉低血糖、独自发病、年幼、年老、意识不清或昏迷的患者来说并不理想。此外，现有的降低低血糖风险的策略，如使用葡萄糖响应性胰岛素类似物，因存在非特异性结合等问题尚未通过临床试验；还有多种葡萄糖响应性胰岛素和胰高血糖素递送系统，尝试通过微针贴片和机电闭环系统实现，但临床效果不佳。在此背景下，多伦多大学的研究人员开展了一项旨在解决上述问题的研究。
研究人员利用邻苯二酚和硼酸化学，设计了一种自交联水凝胶基微针贴片，用于在低血糖时递送锌 - 胰高血糖素（Z-GCN）。该研究成果发表在《Nature Communications》上，具有重要意义，有望改变低血糖治疗模式，从急性干预转向预防，降低胰岛素治疗风险，提高患者依从性。
在研究方法上，研究人员主要运用了以下关键技术：一是聚合物合成与表征技术，通过 N-(3 - 二甲基氨基丙基)-N’- 乙基碳二亚胺盐酸盐和 N - 羟基琥珀酰亚胺（EDC/NHS）偶联反应合成 HA-DA 和 HA-AFBA 聚合物，并利用 1H-NMR、UV-vis 光谱等对其进行表征；二是微针贴片制备与性能测试技术，制备自交联水凝胶微针贴片，测试其机械性能、溶胀性能、生物相容性等；三是体外和体内实验技术，通过体外实验研究葡萄糖响应性能、药物释放情况，利用动物实验评估微针贴片在体内的低血糖预防能力；四是分子动力学模拟和量子力学计算技术，用于探究聚合物与 Z-GCN 的相互作用以及药物释放机制。
研究结果如下：
- 聚合物合成：成功制备了含邻苯二酚和硼酸的共聚物，通过 1H-NMR 分析确认了 DA 和 AFBA 成功引入到 HA 主链上，混合 HA-DA 和 HA-AFBA 在 pH8 时可形成三维聚合物网络和凝胶，流变分析表明凝胶具有类固体行为，ATR-FTIR 光谱验证了凝胶的交联机制。
- 微针制备与表征：以 2:1 的 HA-DA 与 HA-AFBA 比例成功制备自交联水凝胶微针贴片。该贴片机械性能良好，针长 800μm，断裂力为 0.45N / 针，能有效穿透大鼠皮肤；内部具有微米级孔隙，溶胀性能良好，在 pH7.4 的 PBS 缓冲液中约 60min 达到最大溶胀；邻苯二酚的修饰显著提高了贴片的组织粘附性。
- 体外葡萄糖响应性能：通过 UV-Vis 光谱研究发现，在高葡萄糖浓度下，AFBA 与葡萄糖结合形成硼酸酯，邻苯二酚与 Z-GCN 结合；低葡萄糖浓度时，AFBA 与邻苯二酚结合，促使 Z-GCN 释放。QM 建模和 MD 模拟进一步验证了这一机制。体外释放实验表明，在低血糖（50mg/dL）和高血糖（300mg/dL）条件下，Z-GCN 的释放量分别约为 52%（0.52mg）和 5%（0.05mg），且具有可重复的 “ON/OFF” 脉冲式释放特性。CD 光谱分析显示，Z-GCN 及其释放产物的二级结构与天然胰高血糖素相似，表明在制备和释放过程中其结构保持稳定。
- 分子动力学模拟：利用 REST 方法进行分子动力学模拟，结果表明聚合物可稳定 Z-GCN 的结构，降低其 RMSD 和 RMSF 值，增加氢键数量，改变 Z-GCN 的水化层和溶剂可及表面积，且静电相互作用在 Z-GCN 与聚合物的结合中起主要作用。
- 生物相容性分析：MTT 实验表明微针贴片对 HaCaT 细胞和 NIH-3T3 成纤维细胞的细胞活力无显著影响；RP-HPLC 检测显示微针贴片浸出的未反应化合物极少；对大鼠皮肤的局部生物相容性评估表明，贴片应用 7 天后未引起组织损伤和炎症反应。
- 体内低血糖预防：在链脲佐菌素（STZ）诱导的 1 型糖尿病（T1D）大鼠模型中，微针贴片能有效穿透皮肤。皮下注射 Z-GCN 后，其生物活性得到确认，且作用持续时间比天然胰高血糖素长。在两次胰岛素过量挑战实验中，使用 Z-GCN 贴片的大鼠血糖水平始终高于低血糖阈值，而对照组大鼠血糖水平下降明显，部分甚至出现惊厥。这表明微针贴片能响应性释放 Z-GCN，有效预防低血糖长达 6 小时。
研究结论与讨论部分指出，该研究利用邻苯二酚和硼酸化学，成功设计并制备了可在低血糖时响应性递送 Z-GCN 的水凝胶微针贴片。该贴片具有高载药效率，制备过程避免了使用化学交联剂、光引发剂和加热，保证了 Z-GCN 的稳定性。体内实验证明其能有效预防低血糖，为低血糖治疗提供了新的策略，有望从预防性治疗角度降低胰岛素治疗风险，提高患者生活质量。同时，这种基于邻苯二酚 - 金属离子竞争性结合的葡萄糖响应机制，在蛋白质 / 肽类药物递送领域具有广阔的应用前景，通过调整含邻苯二酚聚合物的结构、组成和金属结合的治疗性蛋白质，可实现多种药物递送应用。
