《Bioengineering & Translational Medicine》：Enhanced skin delivery of biomacromolecules using hollow sponge spicules
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本研究提出一种新型微针技术——中空海绵Haliclona属骨针（hollow sponge Haliclonasp. spicules, oSHS），用于增强生物大分子的皮肤递送效率。研究人员通过在2 mol/L氢氧化钠溶液中蚀刻48小时制备oSHS，在优化中
本研究提出一种新型微针技术——中空海绵Haliclona属骨针（hollow sponge Haliclonasp. spicules, oSHS），用于增强生物大分子的皮肤递送效率。研究人员通过在2 mol/L氢氧化钠溶液中蚀刻48小时制备oSHS，在优化中空通道形成的同时保持了其结构完整性。体外实验表明，与传统实心海绵骨针（solid sponge spicules, SHS）、微针（microneedles, MNs）、滚轮微针及单独离子导入（iontophoresis, ITP）相比，oSHS显著提高了药物吸收效率；将oSHS与离子导入联用可产生协同效应，使生物大分子递送量最高提升35.09%（p< 0.05）。体内实验显示，经oSHS递送卵清蛋白（ovalbumin, OVA）可引发与皮下注射相当的免疫反应，表现为OVA特异性免疫球蛋白E（specific IgE, sIgE）和白介素-4（interleukin-4, IL-4）水平升高。研究人员构建了描述oSHS介导透皮行为的数学模型，揭示其递送过程呈剂量依赖性，且生物大分子在皮肤深层分布均匀，与注射导致的局部蓄积形成鲜明对比。安全性评估证实oSHS仅引起轻微且可逆的皮肤刺激，并在72小时内消退。上述结果表明，oSHS是一种安全、高效且具有规模化潜力的经皮递送策略，适用于蛋白质、核酸等大分子的非侵入性治疗应用。
该研究针对生物大分子经皮递送效率低的临床痛点展开。传统口服给药存在首过效应，注射给药患者依从性差，而皮肤角质层（stratum corneum, SC）构成了生物大分子透皮的主要屏障。尽管现有微针（microneedles, MNs）技术能通过物理穿刺形成微通道，但由于皮肤自愈特性，通道闭合速度快，且受限于贴片尺寸与皮肤平整度要求，难以实现大面积均匀递送。研究人员前期发现实心海绵骨针（solid sponge spicules, SHS）虽能形成纳米级微通道并自然脱落，但其孔径不足以支持生物大分子的有效渗透。为此，本研究旨在通过化学蚀刻构建具有微米级中空通道的新型骨针（oSHS），突破生物大分子经皮递送的物理限制。
为实现上述目标，研究人员采用了多项关键技术方法。样本来源于海绵Haliclona属提取的天然骨针，实验动物选用6至8周龄雌性豚鼠。关键技术包括：利用碱性蚀刻法制备中空海绵骨针（oSHS）并通过扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）表征其微观形貌；采用垂直Franz扩散池进行离体猪皮透皮实验，结合荧光分光光度法定量分析不同分子量模型药物的经皮通量；构建oSHS介导的透皮数学模型，量化孔隙率与扩散系数的关系；通过体内免疫学实验检测血清中OVA特异性抗体及细胞因子水平；依据Draize标准法进行皮肤刺激性评分及组织病理学分析。
研究结果部分首先展示了材料的制备与表征。研究人员优化了碱性蚀刻条件，确定在2 mol/L NaOH中处理48小时为最佳参数，此时oSHS既能形成连续的中空通道，又能保持足够的机械强度以穿透皮肤。尼罗红染色与共聚焦显微镜观察证实了内部通道的连通性。
在离体经皮渗透研究中，oSHS表现出显著的递送优势。对于小分子荧光素钠，oSHS联合离子导入（oSHS+ITP）的总吸收率达42.67%。对于20 kDa荧光葡聚糖（FD 20K），该组合的吸收率高达35.09%，协同指数（synergistic index, SI）达3.29。研究还发现，oSHS的递送效率呈剂量依赖性，且药物在皮肤内分布均匀，而皮下注射则导致药物仅在注射点中心高浓度蓄积。此外，oSHS在递送鲨鱼抗PDL1可变新抗原受体（PDL1 vNAR）抗体时，总吸收率（25.19%）显著高于对照组（5.84%）和传统微针组（11.47%）。
在数学模型构建方面，研究人员基于Fick第一定律，推导出了适用于oSHS形成的“环形通道”皮肤模型。该模型指出，oSHS嵌入皮肤后形成的独特几何结构改变了扩散阻力，其透皮系数由完整角质层的贡献与环形通道的贡献共同组成，且渗透效率与溶质分子量（molecular weight, MW）呈负相关。
体内免疫原性实验结果显示，经oSHS递送卵清蛋白（OVA）的豚鼠在第2天即出现明显的免疫反应，虽然反应强度在第3天和第8天略低于皮下注射组，但显著高于对照组和SHS组。血清学分析进一步证实，oSHS组诱导产生的OVA特异性IgE（sIgE）和IL-4水平与注射组无显著差异，证明了其激发系统性免疫应答的能力。
皮肤安全性评价表明，oSHS引起的皮肤刺激为轻度且可逆。组织病理切片显示，真皮层免疫细胞浸润在24至48小时达到峰值，随后逐渐下降，至240小时（10天）时恢复至对照组水平，未见慢性炎症迹象。
在讨论部分，研究人员指出oSHS的作用机制不同于传统的实心骨针，其内部中空通道将传输路径从纳米级间隙扩展至稳定的微米级通道。尽管本研究成功验证了150 kDa以下分子的递送，但关于二氧化硅材料潜在的迟发性肉芽肿反应风险仍需长期随访评估。此外，天然来源的oSHS具有良好的批次一致性和规模化生产潜力，相较于合成微针成本更低。
结论部分总结道，中空海绵骨针（oSHS）能以剂量依赖的方式显著增强生物大分子的皮肤渗透与沉积，且急性安全性良好。联合离子导入技术可进一步提升吸收效率。经oSHS递送的生物大分子在皮肤内分布均匀，避免了注射导致的局部蓄积。体内实验证明oSHS能有效递送抗原并引发与皮下注射相当的免疫反应，为生物大分子的经皮递送提供了一种极具前景的策略。
