基于缓释动力学模型的外泌体微针透皮释药仿真方法与流程

本发明涉及生物医药仿真，具体涉及基于缓释动力学模型的外泌体微针透皮释药仿真方法。

背景技术：

1、雄激素性脱发是临床上最为普遍的脱发病症，病理根源在于二氢睾酮持续攻击毛囊，引发毛囊微型化、毛囊干细胞活性衰退，最终造成毛发进行性脱落。现有临床治疗手段中，口服非那雄胺能够抑制5α-还原酶以降低体内二氢睾酮水平，实现毛发再生，但全身给药模式容易带来性功能损伤等不良反应；外用米诺地尔存在皮肤透皮效率低、局部刺激性较强的缺陷。可溶性微针根据微创透皮优势，可以将外泌体与小分子药物直接递送至头皮真皮毛囊所在位置，间充质干细胞来源工程化外泌体可激活毛囊干细胞，实现受损毛囊修复，将外泌体与非那雄胺共负载于可溶性微针，能够同时实现毛囊修复与局部防护，规避口服给药带来的全身副作用，在雄激素性脱发局部治疗领域具备巨大应用潜力。但微针基质组分、针体几何尺寸、两种活性物质载药比例，均会直接改变外泌体、非那雄胺在头皮内部释放与扩散行为；传统研发模式主要依靠大量动物实验与体外透皮试验筛选处方，试验周期长、成本高昂，且很难直接观测头皮真皮、毛囊周边位置药物随时间变化的真实浓度，制剂处方优化缺少理论仿真工具支撑。

2、已有大量学术文献针对外泌体微针透皮释药开展相关研究，song等人在《nano-micro letters》发表的研究构建外泌体微针递送贴片，探究微针结构对外泌体透皮深度、释放速率带来的影响，证实微针可以显著提升纳米囊泡类物质的皮肤递送效率。在释药仿真方向，bhatnagar等开展微针透皮给药有限元仿真研究，利用动力学模型模拟小分子药物在微针-皮肤体系的释放扩散过程，为微针制剂设计提供理论参考。但是现有公开学术报道大多将外泌体简单视作普通纳米颗粒开展仿真，忽略外泌体囊泡在水凝胶基质释放过程中的粒径筛分受限扩散效应；当仿真对象为“纳米囊泡外泌体+小分子非那雄胺”双组分共递送体系时，现有仿真框架未能区分两种理化性质差异巨大物质各自的释放机制，缺少可以同时兼顾基质溶蚀、囊泡受限扩散、组织内代谢清除、毛细血管吸收的耦合动力学模型，也缺少针对毛囊靶区有效浓度、全身暴露风险的定量仿真评价手段，仅依靠现有学术仿真方案，难以直接用于共负载外泌体-非那雄胺生发微针的处方预判与参数优化。

3、国内也公开了相关发明专利，公开号cn113694005a的专利公开了一种负载干细胞外泌体的可溶性微针阵列，该专利实现将干细胞外泌体负载于透明质酸微针中用于皮肤修护，公开了微针材料组成、制备工艺与基础体外药效评价方法，一定程度上推动了外泌体微针类产品开发进程。但是该专利以及同类型现有专利，全部聚焦微针实物产品本身的配方、制备工艺，仅依靠体外、体内实验完成性能验证，并未建立对应的释药动力学仿真方法，无法在制剂制备前，就对微针内部外泌体、小分子药物在头皮多层组织、毛囊周边的时空浓度分布开展数值预测；也不能够定量预判局部给药后药物经毛细血管吸收带来的全身暴露水平，无法在研发前期完成多目标处方逆向优化。也就是说，现有专利解决了外泌体微针实物制备的技术问题，但在制剂开发的数字化仿真预判层面仍然存在明显短板，仍然需要反复制备多批次样品开展试错实验，研发成本高、迭代周期长。

技术实现思路

1、基于上述技术问题，本技术公开了基于缓释动力学模型的外泌体微针透皮释药仿真方法，包括以下步骤：

2、构建负载外泌体与非那雄胺的可溶性微针阵列，所述可溶性微针阵列包括基底和阵列排布于所述基底上的多个微针针体，所述微针针体由可溶性高分子基质材料、负载tgf-β的工程化外泌体以及非那雄胺共同构成；

3、获取体外释药实验数据，将所述可溶性微针阵列置于透皮扩散实验装置中，在不同时间点采集释放液，分别测定外泌体和非那雄胺的累积释放量，获得体外累积释放曲线；

4、建立缓释动力学模型，分别针对外泌体和非那雄胺的释放行为，采用多种释药动力学模型对获得的体外累积释放曲线进行拟合，所述释药动力学模型至少包括零级释放模型、一级释放模型、higuchi模型和korsmeyer-peppas模型，根据拟合优度确定外泌体和非那雄胺各自最优的缓释动力学模型及其对应的模型参数，所述模型参数包括释放速率常数和释放指数；

5、构建头皮皮肤三维几何模型，基于头皮皮肤的组织学结构，构建包含角质层、活性表皮层、真皮层以及毛囊结构的多层三维几何模型，并在所述三维几何模型中设定微针针体的初始刺入位置、刺入深度及载药初始浓度作为初始条件；

6、建立透皮释药的偏微分方程组，基于确定的最优缓释动力学模型，结合fick扩散定律，分别建立外泌体和非那雄胺在所述多层三维几何模型各层中的扩散-释放耦合偏微分方程组，所述偏微分方程组中包含各层组织的扩散系数、分配系数以及微针基质的降解速率参数；

7、对构建的三维几何模型进行网格划分，设定边界条件，利用有限元方法对建立的偏微分方程组进行数值求解，获得外泌体和非那雄胺在头皮皮肤各层及毛囊周围组织中的时空浓度分布结果；

8、输出外泌体和非那雄胺在真皮层毛囊周围的有效浓度维持时间，以及药物透皮吸收进入毛细血管网的全身暴露量预测值。

9、优选的，所述构建负载外泌体与非那雄胺的可溶性微针阵列，具体包括：

10、通过慢病毒转染使间充质干细胞过表达tgf-β，收集细胞培养上清液，采用超速离心法提取获得负载tgf-β的工程化外泌体；

11、将非那雄胺溶解于有机溶剂中配制成非那雄胺溶液，将所述负载tgf-β的工程化外泌体重悬于缓冲液中配制成外泌体悬液；

12、将透明质酸、聚乙烯吡咯烷酮和羧甲基纤维素钠溶解于去离子水中，制备得到高分子基质溶液；

13、将所述非那雄胺溶液与所述外泌体悬液依次加入所述高分子基质溶液中，经搅拌混匀后注入pdms微针模具中，离心使混合液充分填充模具微孔腔，刮除多余溶液后干燥成型，脱模得到所述可溶性微针阵列。

14、优选的，所述建立缓释动力学模型，分别针对外泌体和非那雄胺的释放行为，采用多种释药动力学模型对获得的体外累积释放曲线进行拟合，具体包括：

15、采用零级释放模型按照公式对所述体外累积释放曲线进行拟合，其中为时刻的累积释放百分比，为初始释放量，为零级释放速率常数；

16、采用一级释放模型按照公式对所述体外累积释放曲线进行拟合，其中为一级释放速率常数；

17、采用higuchi模型按照公式对所述体外累积释放曲线进行拟合，其中为higuchi释放速率常数；

18、采用korsmeyer-peppas模型按照公式对所述体外累积释放曲线进行拟合，其中为korsmeyer-peppas释放速率常数，为释放指数，当时释放机制为fick扩散主导，当时为反常扩散与基质溶蚀协同机制，当时为基质溶蚀主导；

19、分别计算各释药动力学模型的决定系数和赤池信息准则aic值，选取最大且aic值最小的模型作为对应药物的最优缓释动力学模型。

20、优选的，所述构建头皮皮肤三维几何模型，基于头皮皮肤的组织学结构，构建包含角质层、活性表皮层、真皮层以及毛囊结构的多层三维几何模型，具体包括：

21、将所述角质层设定为厚度为10-20μm的平板层，将所述活性表皮层设定为厚度为50-100μm的平板层，将所述真皮层设定为厚度为1000-2000μm的平板层；

22、在所述真皮层中构建圆柱形毛囊结构，所述毛囊结构的直径设定为100-300μm，深度从所述角质层表面延伸至所述真皮层内部500-1500μm；

23、将所述微针针体建模为圆锥体阵列，所述圆锥体的底面直径为200-400μm，高度为500-800μm，相邻圆锥体的中心间距为500-1000μm；

24、将所述微针针体的尖端坐标设定为所述毛囊结构旁侧的目标区域，使所述微针针体的尖端与所述毛囊结构的水平距离为50-200μm。

25、优选的，所述建立透皮释药的偏微分方程组，基于确定的最优缓释动力学模型，结合fick扩散定律，分别建立外泌体和非那雄胺在所述多层三维几何模型各层中的扩散-释放耦合偏微分方程组，具体包括：

26、对非那雄胺在微针基质中的释放过程，建立基于基质溶蚀耦合的扩散方程：

27、

28、其中，为非那雄胺的局部浓度，为位置与时间相关的非那雄胺有效扩散系数张量，为微针基质的时变降解速率函数，为非那雄胺从基质结合态解离为游离态的源项函数；

29、对外泌体在微针基质中的释放过程，建立基于粒径筛分效应的受限扩散方程：

30、

31、其中，为外泌体的局部浓度，为依赖于基质瞬时孔隙率和外泌体等效流体力学半径的有效扩散系数，为外泌体在组织环境中的失活衰减常数；

32、所述有效扩散系数按照以下方式计算：

33、

34、其中，为外泌体在自由水溶液中的扩散系数，为孔隙曲折度修正指数，为粒径筛分衰减系数，为基质在时刻的平均网孔尺寸；

35、对非那雄胺和外泌体在头皮皮肤各层组织中的扩散过程，建立分层扩散方程：

36、

37、其中，上标表示皮肤组织层，，下标表示药物种类，，为药物在组织层中的扩散系数，为药物在组织层中的代谢清除速率常数。

38、优选的，所述对构建的三维几何模型进行网格划分，设定边界条件，利用有限元方法对建立的偏微分方程组进行数值求解，具体包括：

39、在所述微针针体区域和所述毛囊结构周围区域采用自适应加密网格，在远离微针和毛囊的所述真皮层外围区域采用粗化网格，网格单元总数控制在50万至200万之间；

40、在所述角质层的外表面设定无通量边界条件，公式为，其中为边界法向向量；

41、在所述真皮层与毛细血管网交界处设定对流清除边界条件，公式为，其中为毛细血管壁渗透系数，为血液中的药物浓度，初始设定为零；

42、在相邻组织层界面处设定浓度连续性条件和通量守恒条件，公式为且，其中为药物在相邻两层组织间的分配系数；

43、采用隐式向后euler时间离散格式，时间步长设定为自适应变步长，初始时间步长为1分钟，最大时间步长为30分钟，总仿真时长设定为72小时。

44、优选的，所述输出外泌体和非那雄胺在真皮层毛囊周围的有效浓度维持时间，以及药物透皮吸收进入毛细血管网的全身暴露量预测值，具体包括：

45、提取所述毛囊结构周围50-200μm范围内各网格节点的非那雄胺浓度时间序列数据，计算非那雄胺浓度维持在预设有效浓度阈值以上的持续时长，作为非那雄胺的有效浓度维持时间；

46、提取所述毛囊结构周围50-200μm范围内各网格节点的外泌体浓度时间序列数据，计算外泌体浓度维持在预设有效浓度阈值以上的持续时长，作为外泌体的有效浓度维持时间；

47、在所述毛细血管边界处，按照以下方式计算非那雄胺的全身暴露量预测值：

48、

49、其中，为全身暴露量，为总仿真时长，为毛细血管边界曲面，为真皮层侧毛细血管界面处的非那雄胺浓度；

50、将所述与口服非那雄胺的全身暴露量参考值进行比较，当低于所述口服非那雄胺的全身暴露量参考值的预设比例阈值时，判定局部微针给药的全身安全性满足要求。

51、优选的，还包括对所述缓释动力学模型的参数优化步骤：

52、以所述外泌体和所述非那雄胺在毛囊周围的有效浓度维持时间之和最大化为优化目标，以所述微针针体中非那雄胺的负载浓度、外泌体的负载浓度以及高分子基质材料的配比作为优化变量，以非那雄胺的全身暴露量不超过预设安全阈值为约束条件，构建多目标优化模型；

53、采用粒子群优化算法或遗传算法对所述多目标优化模型进行迭代求解，获得使毛囊修复与保护协同最优的微针处方参数组合。

54、基于缓释动力学模型的外泌体微针透皮释药仿真系统，适用于任一项所述的基于缓释动力学模型的外泌体微针透皮释药仿真方法，包括：

55、微针构建模块构建负载外泌体与非那雄胺的可溶性微针阵列，所述可溶性微针阵列包括基底和阵列排布于所述基底上的多个微针针体，所述微针针体由可溶性高分子基质材料、负载tgf-β的工程化外泌体以及非那雄胺共同构成；

56、释药数据采集模块将所述可溶性微针阵列置于透皮扩散实验装置中，在不同时间点采集释放液，分别测定外泌体和非那雄胺的累积释放量，获得体外累积释放曲线；

57、动力学建模模块分别针对外泌体和非那雄胺的释放行为，采用多种释药动力学模型对获得的体外累积释放曲线进行拟合，根据拟合优度确定外泌体和非那雄胺各自最优的缓释动力学模型及其对应的模型参数；

58、几何建模模块基于头皮皮肤的组织学结构，构建包含角质层、活性表皮层、真皮层以及毛囊结构的多层三维几何模型，并设定微针针体的初始刺入位置、刺入深度及载药初始浓度作为初始条件；

59、方程构建模块基于确定的最优缓释动力学模型，结合fick扩散定律，分别建立外泌体和非那雄胺在所述多层三维几何模型各层中的扩散-释放耦合偏微分方程组；

60、数值求解模块对构建的三维几何模型进行网格划分，设定边界条件，利用有限元方法对建立的偏微分方程组进行数值求解，获得外泌体和非那雄胺在头皮皮肤各层及毛囊周围组织中的时空浓度分布结果；

61、结果分析模块根据数值求解结果，输出外泌体和非那雄胺在真皮层毛囊周围的有效浓度维持时间，以及药物透皮吸收进入毛细血管网的全身暴露量预测值。

62、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现基于缓释动力学模型的外泌体微针透皮释药仿真方法的步骤。

63、相对于现有技术，本技术的技术方案具有以下技术效果：

64、本发明构建的缓释动力学模型能够根据体外释药实验数据完成模型参数标定，通过多种释药动力学模型拟合筛选得到适配外泌体以及非那雄胺各自的释放模型。该方式可以贴合真实样品的释放行为，保障后续数值仿真过程的贴合度，避免模型参数脱离实际制剂释放特征。

65、本发明搭建包含角质层、活性表皮层、真皮层以及毛囊结构的头皮皮肤三维几何模型，可以还原头皮真实的多层组织结构与毛囊空间形态。通过设定微针针体几何形态以及刺入的初始条件，能够复现微针作用于头皮后的空间位置关系，为药物扩散过程提供符合生理实际的几何仿真载体。

66、本发明建立多套扩散释放耦合偏微分方程组，分别描述非那雄胺基质溶蚀释放过程与外泌体受粒径筛分效应的受限扩散行为，同时纳入皮肤各层组织的代谢清除作用。可以区分两种理化性质差异较大物质在微针基质以及皮肤组织内部的传质规律，完整还原两种物质各自的传质变化过程。

67、本发明采用有限元方法完成方程组数值求解，通过网格加密处理重点关注微针以及毛囊周边区域，搭配适配的边界条件与时间离散格式开展计算。能够稳定输出毛囊周边有效浓度维持时间与全身暴露量预测值，得到客观的仿真输出结果，实现对微针给药作用结果的数字化表征。

68、本发明设置多目标参数优化步骤，以毛囊周边作用效果作为优化目标，以全身暴露水平作为约束条件开展迭代求解。可以输出适配应用需求的微针处方参数组合，为微针制剂处方开发提供参考方向，助力制剂处方的快速筛选，支撑生发微针制剂的研发工作。

69、上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

70、根据下文结合附图对本技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本技术的上述及其他目的、优点和特征。