華中科技大學朱錦濤、陶娟及蔣皓共同通訊在Nature Communications發表題為“Endogenous stimuli-responsive separating microneedles to inhibit hypertrophic scar through remodeling the pathological microenvironment”的研究論文，該研究展示了由光交聯的GelMA和5-FuA-Pep-MA前體組成的分離微針（MN），以響應高活性氧（ROS）水平和基質金屬蛋白酶（MMP）在HS病理微環境中的過表達。雌性小鼠的體內實驗表明，MN尖端在組織中的保留提供了緩慢持續的藥物釋放方式。重要的是，載藥性MNs可以通過ROS清除和MMPs消耗來重塑雌性兔耳HS組織的病理微環境。
Bulk和單細胞RNA測序分析證實，載藥微MNs可通過下調BCL-2相關死亡啟動子(BAD)、胰島素樣生長因子1受體(IGF1R)通路逆轉皮膚纖維化，同時通過上調TOLL樣受體(TOLL)、白細胞介素1受體(IL1R)和角質形成細胞通路調節炎癥反應和角質形成細胞分化。并通過蛋白聚糖配體受體2 (HSPG2)-肌營養不良蛋白聚糖1(DAG1)促進成纖維細胞和角質形成細胞之間的相互作用。該研究揭示了載藥MNs在HS治療中的潛在治療機制，具有廣闊的臨床應用前景。
增生性瘢痕（HS）為凸起、紅斑、瘙癢性病變，主要是由于皮膚損傷后成纖維細胞過度增殖和膠原蛋白沉積紊亂所致，嚴重影響患者的容貌、身心健康。通常，基質金屬蛋白酶2（MMP2）和MMP9是重塑細胞外基質（ECM）的必需酶，在HS病理微環境中顯著升高。同時，過度的成纖維細胞增殖和部分或完全閉塞的微血管導致 HS 內的缺氧微環境，這在長時間低氧時顯著增加活性氧（ROS）水平。因此，響應內源性刺激（MMP2、MMP9 和 ROS）的控釋藥物遞送系統重塑HS治療的病理環境應該是有希望的。
如今，病灶內注射5-氟尿嘧啶（5-Fu）和皮質類固醇是HS治療中具有不同機制的推薦療法。盡管皮質類固醇的使用對大多數患者有效，但它也與副作用有關。5-Fu能夠抑制細胞增殖、誘導成纖維細胞凋亡和減少膠原蛋白的產生，在臨床指南和實踐中已單獨使用或與皮質類固醇聯合使用，以避免皮質類固醇注射的潛在副作用。然而，由于內源性二氫嘧啶脫氫酶的消除，5-Fu的半衰期較短，需要高注射劑量和多次操作。具體而言，大劑量局部給藥可能引起嚴重的副作用，并且侵入性注射伴有劇烈疼痛。與病灶內注射相比，微針（MNs）作為一種有前途的新型透皮給藥平臺，因其非選擇性負載能力、最小侵入性、操作簡單和良好的生物相容性而備受關注。重要的是，內源性刺激反應材料可以消耗病理微環境中過表達的介質，從而促進組織重塑。
在過去的十年中，RNA測序（RNA-seq）已成為研究發育和確定疾病分子失調的有力工具。目前已發現多種與纖維化發病機制相關的途徑。其中，抗細胞凋亡途徑和生長因子途徑是成纖維細胞的關鍵途徑，是將初始刺激轉化為纖維化發展所必需的。BCL-2 相關蛋白是線粒體細胞凋亡的關鍵調節因子，長期以來一直因其在纖維化中的作用而被鑒定。胰島素樣生長因子（IGF）是胰島素家族的成員，它作為合成代謝因子促進細胞增殖和遷移。IGF在各種纖維化疾病以及增生性疤痕中高度表達。然而，病理微環境響應生物材料對HS治療的獨特治療機制在生物材料科學中通常被忽視，這對后續基礎研究和臨床轉化具有重要意義。
該研究開發了一種由明膠甲基丙烯酰（GelMA）和5-氟尿嘧啶乙酸（5-FuA）前藥組成的分離MN藥物遞送系統，以響應內源性刺激（MMP2、MMP9和ROS）重塑HS治療的病理微環境。5-FuA前藥被設計為ROS響應性四肽（PPPK），N端有5-FuA，賴氨酸殘基上有甲基丙烯酰，在分離MN貼片的尖端與GelMA發生UV交聯。同時，MN基層可以很容易地剝離，在HS病灶中留下MN尖端，以便長期持續釋放藥物。
作為病理微環境響應性肽前體藥物遞送平臺的分離MN貼片示意圖（Credit: Nature Communications）
體內實驗和大量RNA-seq分析表明，分離的MN貼片通過下調BCL-2相關死亡啟動子（BAD）、胰島素樣生長因子1受體（IGF1R）通路和膠原纖維組織過程，通過上調Toll樣受體（TOLL）同時調節炎癥反應和介導角質形成細胞分化，可顯著減少異常成纖維細胞增殖和膠原纖維沉積， 白細胞介素-1 受體（IL1R）和角質形成細胞通路。更重要的是，單細胞RNA測序（scRNA-seq）分析進一步研究了角質形成細胞通路，并證明成纖維細胞和角質形成細胞之間的相互作用在用載藥MN處理HS組織中起著核心作用。載藥性MNs可以清除ROS并消耗MMP2和MMP9來重塑HS的病理微環境，這在HS治療中具有廣闊的臨床應用前景。