JACS:Microcapsule-in-Microcapsule水凝膠系統可調控藥物釋放

近年來，微膠囊（Microcapsule）的合成及其應用引起了廣泛關注。微膠囊具有廣泛的應用，包括緩釋藥物載體，感測器，微反應器，食品和化妝品新增劑。功能性微膠囊為刺激響應性膠囊，它們在適當的生物標記物或環境條件下，可選擇性、程式性釋放負載。近期，以色列的耶路撒冷希伯來大學奈米科學與奈米技術中心化學研究所的Itamar Willner團隊在《JACS》上發表了Triggered Release of Loads from Microcapsule-in-Microcapsule Hydrogel Microcarriers： En-Route to an “Artificial Pancreas”。他們介紹了基於水凝膠的刺激響應性“核殼-核殼”微膠囊-微膠囊（Microcapsule-in-Microcapsule）系統，該系統內外雙層微膠囊有不同負載。在一個或兩個刺激下，有選擇地釋放一種或兩種負載。而且，在適當刺激下，在兩層微囊中的負載可以混合。作者將微囊中的雙層用作功能單元，該功能單元是個閉環裝置，在葡萄糖刺激下釋放胰島素，可稱為“人造胰腺”的模型。

1、刺激響應性微膠囊-微膠囊系統的製造

用聚烯丙胺鹽酸鹽PAH對載有TMR-D的CaCO3微粒進行塗層，然後透過靜電吸附將DNA鏈（1）吸附在已塗層的顆粒上。鏈（1）是啟動子鏈，誘導鏈（2）（官能化的羧甲基纖維素（CMC）聚合物P1和P2）雜交鏈反應（HCR），H1和H2具有刺激響應性。在該例項中，核層水凝膠是Zn2+離子響應的DNA核酶（4）。（3）和（4）刺激了HCR過程，因此遊離（2）與底物鏈（3）雜交，而（3）的單鏈結構域與（4）雜交，從而在環結構域中產生了Zn2+敏感的DNA核酶序列，這產生了超分子結構。圖1B顯示了由HCR過程產生的雙鏈核酸交聯單元的結構域和（2）/（3）/（4）/（2）單元的超分子結構。然後，將水凝膠的核心微粒與CaCl2，CdSe / ZnS QDs（羧酸官能化）和Na2CO3的混合物反應。使用Ca2 +離子將CaCO3層與CMC水凝膠結合。隨後用PAH修飾CaCO3（1）。在鏈（5）和（6）的存在下，（1）官能化的顆粒與聚合物鏈P1和P2相互作用。鏈（5）中的3’末端（包含序列z延伸的（q’）序列）能夠在酸性條件下形成i-基序結構。鏈（6）的5‘端（包括序列z’（與z互補））由序列q‘（與q互補）延伸（圖1C）。在這些條件下，（1）刺激的HCR過程形成第二層水凝膠層，該層在H1和H2之間生成，並透過由（5）/（6）組成的超分子結構協同穩定的交聯雙鏈核酸組成。產生“由CaCO3核-水凝膠殼/ CaCO3核-水凝膠殼組成”微膠囊-微膠囊的雙層結構，核殼由兩個刺激響應性水凝膠層隔開。第一層含TMR-D負載，被Zn2+響應水凝膠保護，第二層含CdSe/ZnS QD，受pH響應水凝膠層保護。

圖1（A）微膠囊-微膠囊系統刺激釋放負載。Zn2+離子裂解底物（3），降低交聯度（B）及內部水凝膠層硬度，從而使核殼區域的負載混合。pH 5。5時，微膠囊-微膠囊系統的橋接鏈（6）重新配置為i-基序結構，（5）/（6）雙鏈核酸橋分離（C），導致第一層水凝膠層硬度降低，從而釋放負載，而第二層的負載不釋放。在Zn2+離子和pH 5。5條件下，可以將負載從雙層中釋放。

2、微膠囊-微膠囊系統結構表徵

圖2AI為CaCO3核心微粒的SEM影象。顯示了在逐步沉積Zn2+響應DNAzyme和pH響應水凝膠層後，CaCO3微粒是粗糙的多孔塗層（圖2AII）。圖2AIII顯示了顆粒的雙層結構。 圖2BI是核層凝膠層顆粒的聚焦離子束（FIB）影象。水凝膠層的厚度為約150 nm。圖2BII中顯示了由外部CaCO3（厚度200-150 nm）隔開的水凝膠塗層的FIB影象。水凝膠層有相似的厚度（約150 nm）。

圖2。（A）圖I為改性前的CaCO3微粒的SEM影象。II為塗有水凝膠層的微粒。III為由兩層沉積的水凝膠層組成的微粒。（B）離子束（FIB）影象：I為塗有第一水凝膠層的微粒核心。II為由CaCO3核-水凝膠殼/ CaCO3核-水凝膠殼組成的微粒。

共焦熒光顯微鏡成像實驗也證實了雙層微囊結構。圖3A是載有TMR-D（紅色）和QD（綠色）雙層微結構的共聚焦熒光顯微鏡影象，以及分別在蝕刻CaCO3模板之前（I）和EDTA之後的明場影象（II）。圖3AIIa和b重疊顯示了兩個不同的含熒光團隔室的位置。另外，圖3B有雙層微粒的正交投影，在ZX投影和ZY投影處可以看到不同的區域。

圖3。（A）系統的共聚焦顯微鏡影象，（a）外部CaCO3中的CdSe / ZnS QD，（b）內部TMR-D CaCO3核，（c）是（a）和（b）熒光影象的疊加，（d）雙層系統的明場影象。（B）雙層系統的共聚焦顯微鏡影象的疊加正交投影。

3、微膠囊-微膠囊系統釋放載體

在pH 5。5下，微膠囊釋放QD（圖4A，曲線a），裝載在第一層區域的TMR-D負載沒有釋放圖4A，曲線b）。在pH 7。2時，未QD未釋放，說明透過改變pH，QD從微囊可轉換釋放。將微膠囊置於pH5。5時和Zn2+離子（20 mM），QDs釋放（圖4B，a），TMR-D從第一層區域釋放（圖4B，b）。在pH 7。2且沒有Zn2 +離子的情況下，QD和TMR-D未釋放。此外微膠囊的釋放受Zn2+離子的濃度控制。隨著Zn2+離子濃度的增加，TMR-D的釋放增強。在pH 7。2下用Zn2+離子處理微膠囊不會導致TMR-D或QD釋放，而是出現兩層之間的熒光團混合。

圖4。 （A）將系統置於pH 5。5時釋放（a）QD和（b）TMR-D。插圖：在pH 5。5和pH 7。2的可逆處理下， 系統釋放QD可進行“ ON”和“ OFF”切換。（B）（a） QDs和（b）TMR-D在20 mM Zn2 +離子和pH 5。5條件才從系統中釋放。

共聚焦熒光顯微鏡成像證實了該現象。圖5顯示用20 mM Zn2+離子離子處理微囊之前（I）及之後不同時間段（II–IV）的共聚焦熒光顯微鏡影象。 未處理的雙層結構，分別顯示了特定的綠色熒光（QD）和紅色熒光（TMR-D），（a和b） 。影象（c）是雙層系統結構熒光影象的疊加圖，內部紅色熒光與外部綠色熒光分開，表明熒光團在兩個分開的區域中。用Zn2+離子處理後，紅色和綠色間產生黃色邊界，該邊界最後擴充套件為完全重疊的黃色熒光影象，這是因為兩種熒光團完全混合。

圖5。（a）QDs熒光（綠色）和（b）TMR D熒光（紅色），（c）是（a）和（b）的重疊熒光。（d）為明場影象。I：t = 0分鐘；II：t ＝ 5分鐘； III：t ＝ 10分鐘； IV：t ＝ 25分鐘。

隨後，作者將該系統應用於胰島素釋放調節葡萄糖，此係統可充當人工胰腺的模型。該系統具有以下優點：（i）將兩個內外層隔開的水凝膠層可以有效地轉換和選擇性釋放胰島素，同時保護內層中的葡萄糖氧化酶不洩漏。 （ii）可增加藥物負載。（iii）具有可注射性。圖6描繪了在攜帶葡萄糖氧化酶（GOx）和胰島素的雙層微膠囊的組裝，GOx裝載在第一層，胰島素裝載在第二層。內層由（2）/（3）/（2）橋接的交聯單元組成，沒有新增的DNAzyme序列（4）。將GOx負載在核心CaCO3微粒上，並用PAH包裹（圖6B）。隨後，將載有胰島素的CaCO3沉積在第二層水凝膠上（圖6C）。鏈（5）富含胞嘧啶，在pH 5。5時，重新配置為i-基序結構，導致橋接單元（5）/（6）分離、釋放水凝膠中的胰島素的釋放。 pH值改變時，水凝膠剛度變強，阻止胰島素的釋放。硬度較低的水凝膠可滲透小於5 KDa的蛋白質，而硬度較高的水凝膠則不能滲透蛋白質。因此，透過控制pH值，胰島素的釋放得以調控。

圖6。（A）系統示意圖。（B）與內層水凝膠層相關的核酸的橋接。 （C）核酸橋接單元的詳細概述。

作者降葡萄糖滲透到系統中，GOx將葡萄糖催化為葡萄糖酸和H2O2，葡萄糖酸滲透到外層，並降低系統pH值，使得雙鏈核酸（5）/（6）重新構型成imotif結構，導致水凝膠硬度降低，從而釋放胰島素釋放。此過程受葡萄糖濃度的控制，無葡萄糖時，胰島素未釋放（圖7A，曲線a）；在葡萄糖濃度為5 mM（人血液中葡萄糖的正常水平）時，胰島素的釋放效率很低（圖7A，曲線b）；在較高的葡萄糖濃度（≥10 mM）下，觀察到胰島素的有效釋放，並且隨著葡萄糖濃度的增加，胰島素的釋放增加（圖7A，曲線c-f）；在高葡萄糖濃度（30mM）下，胰島素的釋放在30分鐘後達到飽和值（圖7A，曲線f）。圖7（B）顯示了胰島素釋放的時間關係。隨後增加葡萄糖濃度（10mM或200mg / dl）（箭頭標記），胰島素再次釋放，約10分鐘後達到飽和值，此步驟釋放了額外40％的胰島素。作者還透過重複新增葡萄糖濃度（每個迴圈7。0mM），可隨意切換胰島素釋放切換。

圖7。（A）在不同濃度葡萄糖下系統中胰島素的釋放。（B）胰島素的釋放可進行“開”和“關”切換。

最後，作者表示，此設計可釋放其他治療劑。例如，可以將乙醯膽鹼酯酶裝載在微膠囊中。由乙醯膽鹼水解，酶的過度啟用或抑制會釋放出擾亂神經系統的藥物。此外，雙層相互通訊（混合）提供了一種訊號指示反應的微反應器設計。該系統的刺激響應性、微囊的多樣性以及負載的可變性使其具有各種應用。

文獻連結：https：//doi。org/10。1021/jacs。9b11847

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