「冰锥」灵感，香港城大团队首创冷冻微针，动物试验结果优于传统递送丨专访徐臣杰

当前，细胞疗法的给药方式主要包括皮下注射、静脉注射以及植入器械递送等。然而，这些方法依从性差，也有可能会引发感染风险。因此，学界和产业界一直在积极研发靶向性、精确性和安全性更佳的给药方式。

日前，香港城市大学生物医学工程学系徐臣杰博士课题组首创能够负载活细胞的微针技术 —— 冷冻微针（cryomicroneedles or cryoMNs），实现了活细胞的负载与递送。相关研究已于近日发表在 Nature Biomedical Engineering 期刊上。

冷冻微针的灵感来源为冰锥，经特殊工艺制备后，可以装载、储存和在皮内输送有治疗性效果的活细胞。在小鼠试验中，与传统递送方法相比，冷冻微针递送树突状细胞的策略能够在小鼠体内产生更强的抗原特异性免疫和肿瘤抑制作用。在免疫治疗中，冷冻微针或将具备产业化潜力。

（来源：Nature Biomedical Engineering）

借此，生辉独家专访了该论文的通讯作者徐臣杰博士。

徐臣杰博士毕业于美国布朗大学化学专业，自 2012 年以来，他一直专注于开发经皮给药和经皮检测的新技术。截止目前，徐博士已发表科学论文 140 余篇，申请国内外专利 15 余项。目前，他正在香港城市大学从事微针贴片和核酸纳米颗粒给药系统的研究。

灵感来源于冰锥

经皮给药是一种通过皮肤表面给药的新型给药方式。近年来，经皮给药以其灵活便捷的使用方式、低侵入性以及较低的感染风险等优势受到众多研究者关注，其中的透皮贴剂、微针技术等发展十分迅速。

虽然现有的微针平台已经成功地实现了小分子药物、肽和蛋白质、寡核苷酸和纳米药物的透皮给药，但却无法实现活细胞的负载与递送。究其原因，现有微针技术无法同时具有保持装载细胞活性和穿透皮肤的机械强度。

为了破解这一难题，徐臣杰团队突破性地采用 “冰” 作为微针制备原料，据介绍，这一设计的灵感来源是北方冬天出现的冰锥。冰不仅具有良好的机械强度，而且低温条件也利于活细胞的保存。

需要注意的一点是，用于制备微针的 “冰” 并非简单的水溶液。这些 “冰” 是含 2.5% 二甲基亚砜（DMSO）和 100 mM 蔗糖的磷酸盐缓冲液 (PBS)。由此制造的冷冻微针不仅可以降低低温对细胞膜损害，而且能够保持细胞活性。

图丨冰锥

该团队研发的冷冻微针每支短于 1 毫米。将活细胞搭载在冷冻微针的尖端，通过微针将活细胞递送到皮层内。“这是一个类似皮肤贴片的装置，可以装载、储存和在皮内输送有治疗性效果的活细胞”，徐博士解释说。

这样，冰锥就摇身一变成了治疗疾病的工具。

实验表明，通过按压能使冷冻微针穿刺皮肤，将负载的细胞成功递送到皮肤内部。通过控制细胞负载量和微针的长度，可以准确地控制细胞递送的有效计量以及递送的深度。有效避免了传统细胞治疗过程需要提前配制细胞注射液的繁琐步骤，降低了污染细胞的风险。

图丨在针尖装有细胞的 cryoMNs 可以很容易地渗透到皮肤表皮（左下）。当 cryoMNs 融化时（右下），加载的细胞被释放。释放的细胞随后迁移、增殖、分泌特定细胞因子并与皮肤中的其他局部细胞相互作用（展开图）。（来源：论文）

在确定了最佳给药频率和剂量后，作为概念验证，他们将肿瘤抗原 (卵清蛋白，ovalbumin, OVA) 负载的树突状细胞 (Dendritic Cell, DC) 装载到微针中。该微针实现了 DC 的皮内递送和免疫接种。对比传统的注射递送方法 (静脉注射和皮下注射)，微针递送 DC 的策略能够在小鼠体内产生更强的抗原特异性免疫和肿瘤抑制作用。

图丨与皮下和静脉注射疫苗相比，用 OVA-DC-cryoMNs 接种疫苗可以诱导更有效的抗原特异性免疫反应（来源：论文）

徐臣杰团队测试了 6 种细胞经过冷冻微针搭载并释放后的细胞活性和增殖能力，试验证明这项技术可以用于长期储存、递送活细胞。这 6 类细胞分别是表达红色荧光蛋白的 HeLa 细胞 (RFP-HeLa)、角质形成细胞 (HaCaT)、真皮成纤维细胞 (NDF)、间充质干细胞 (MSC)、表皮黑色素细胞和 T 细胞。

徐臣杰透露到，未来，这种冷冻微针有望通过负载不同类型的治疗细胞，实现不同的治疗效果。

影响商业化落地的几大挑战

徐臣杰表示，现阶段冷冻微针真正落地还面临一些难题。

目前，第一代冷冻微针的储存和运输是一大挑战。实验证明，随着 cryoMNs 暴露于室温时间的增长，其皮肤穿透能力不断下降。cryoMNs 一旦从储存环境中取出后应立即使用，在室温环境停留的时间不能超过 40 秒。

图丨 cryoMNs 皮肤渗透能力与在室温中停留时间的相关性（来源：论文）

“当前的冷冻微针需要保存于 - 80℃或更低的环境中，虽然现阶段为解决新冠疫情，已经有厂家在生产制造小型超低温冰箱，但这种方式也会相应提高产品使用成本。想要真正实现产业化，解决储存温度的条件限制将是接下来工作的重点，” 徐臣杰说。

此外，基于当前的设计尺寸，冷冻微针能够装载和递送的细胞量少于经皮注射、静脉注射的细胞量，细胞递送量有限也是一大待解难题。

对此，徐臣杰告诉生辉，我们的冷冻微针技术将首先应用于免疫治疗，小块、局部的皮肤疾病治疗，这类疾病对治疗细胞量需求不高。冷冻微针技术既保证了治疗效果的同时也减轻了患者的痛苦和感染风险。

“长远来看，我们要优化冷冻微针的产品设计，使其在功能性方面实现灵活的运用。我们已经验证了它对于各类型活细胞的储存功能，如果将其设计成便于使用的载体，让医生可以自行负载所需的治疗细胞，这样会更有利于使用和推广”，徐臣杰对此十分期待。

“未来，我希望经皮给药方向能够与人工智能等科技结合，做出一些更酷炫的研究成果”，谈及冷冻微针以及经皮给药的未来，徐臣杰博士满怀希望。

参考资料：

https://www.nature.com/articles/s41551-021-00720-1

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