可注射水凝膠治療眼科疾病的研究進(jìn)展△

王鈺池 紀(jì)力旸 王靜 張勁松

眼部疾病發(fā)展到一定階段可能會(huì)威脅視力，如白內(nèi)障、青光眼、年齡相關(guān)性黃斑變性及視網(wǎng)膜脫離等。然而，由于眼部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使其治療面臨著很多挑戰(zhàn)，除了手術(shù)之外，常規(guī)的給藥方式(如滴眼液、眼膏等)難以達(dá)到理想的治療效果，而不規(guī)范或不及時(shí)的治療往往會(huì)拖延病情，導(dǎo)致不可逆的視力損害，因此迫切需要更有效的治療方式。水凝膠作為一種多尺度發(fā)展的材料，富含大量水分，兼容性良好，其性質(zhì)透明、安全、性能可控，且可注射水凝膠在手術(shù)過(guò)程中易操作，因此在眼科疾病的治療中有廣闊的研究前景[1]。

1 水凝膠的制作方法、性能及應(yīng)用

水凝膠由多種天然聚合物、合成聚合物、重組蛋白質(zhì)或肽制備，在細(xì)胞、生物制劑和組織中進(jìn)行交聯(lián)，形成結(jié)構(gòu)完整的富含水的親水性3D聚合物網(wǎng)絡(luò)[2]。在溫和的條件下可進(jìn)行液體和凝膠之間的轉(zhuǎn)換。可注射水凝膠正是通過(guò)微創(chuàng)的方法將其前體物質(zhì)注射到體內(nèi)，原位交聯(lián)后形成水凝膠[3]。

1.1 水凝膠的制作方法制備水凝膠的材料包括由組織或其他天然來(lái)源衍生的天然聚合物和使用有機(jī)化學(xué)和分子工程學(xué)原理制造的合成聚合物[3]。天然聚合物來(lái)源的水凝膠，如多糖類(殼聚糖[4]、水楊酸[5]、藻酸鹽)、蛋白質(zhì)類(明膠[6]、肝素[7]等)，有良好的生物兼容性、低毒性和低免疫反應(yīng)，可在體內(nèi)進(jìn)行降解。但其機(jī)械性能較弱，對(duì)組織有潛在的免疫原性[3]。合成聚合物來(lái)源的水凝膠通常有可控的降解速率、機(jī)械強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要的性能及目的不同進(jìn)行重復(fù)生產(chǎn)[8]。眼科常用到的合成聚合物有聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)[9]、聚乙二醇[Poly(ethylene glycol)，PEG][10]、聚N-異丙基丙烯酰胺等[11]。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的目的及要求將水凝膠進(jìn)行改性，改性方法包括化學(xué)接枝、物理共混、與其他物質(zhì)復(fù)合等，由此產(chǎn)生的水凝膠更加符合所需用途[4,12]。

根據(jù)水凝膠的膠化機(jī)制，可分為化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)和物理交聯(lián)反應(yīng)[11]。物理交聯(lián)反應(yīng)指物理化學(xué)參數(shù)變化，如溫度、pH值、離子強(qiáng)度、光照、溶劑濃度或機(jī)械作用力[6,13]，刺激聚合物的構(gòu)象變化，使聚合物鏈聚合形成交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)?；瘜W(xué)交聯(lián)反應(yīng)最常見的反應(yīng)包括邁克爾加成反應(yīng)、席夫堿形成反應(yīng)、Click化學(xué)反應(yīng)、原位酶鏈反應(yīng)[14]等。

1.2 水凝膠的性能水凝膠的性能如下：(1)物理性能，如彈性、黏彈性、壓縮性、降解率等；(2)轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)性能，組織工程中用作支架材料通常伴隨著運(yùn)輸氣體、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、細(xì)胞、代謝產(chǎn)物的功能，運(yùn)輸分子的速率及距離與水凝膠成分、分子的成分以及它們之間的反應(yīng)相關(guān)。如葡萄糖、氧氣等，能夠自由在海藻酸鹽微球之間擴(kuò)散[8]；擴(kuò)散距離越大就需要其他刺激因子協(xié)同作用，如殼聚糖中加入胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)，能夠提升人胰島素來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞移植后的存活力[15]；(3)生物性能，水凝膠的生物性能是讓細(xì)胞與組織黏附、生長(zhǎng)和增生，比如整合了膠原樣肽(collagen-like peptide,CLP)的膠原可用于培養(yǎng)角膜緣上皮干細(xì)胞[16]。IGF-1C耦聯(lián)到殼聚糖上，修飾后的水凝膠能夠提供胚胎間充質(zhì)干細(xì)胞良好的生長(zhǎng)環(huán)境，也能促進(jìn)細(xì)胞黏附，使移植到組織的人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞存活力提高，具備治療潛能[17]。

1.3 水凝膠的應(yīng)用水凝膠有多種性能，可為組織工程提供支架，可作為藥物、基因或細(xì)胞的載體指導(dǎo)組織形成所需的三維結(jié)構(gòu)；作為黏著劑黏附到組織表面，在組織和材料表面構(gòu)建屏障[14]；用作空間填充劑；作為細(xì)胞生長(zhǎng)的支架，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行包封，如胰島細(xì)胞、肝細(xì)胞、腎上腺素皮質(zhì)細(xì)胞、轉(zhuǎn)染表達(dá)特異性酶或生長(zhǎng)因子的細(xì)胞，從而使細(xì)胞在組織內(nèi)分泌目的分子(酶和荷爾蒙等)。原位形成可注射水凝膠還可用于多種組織的再生，包括骨骼、軟骨、椎間盤、脂肪、心臟和血管組織[17-18]。最近報(bào)道了利用水凝膠3D打印包含血管和呼吸道的肺臟模型，實(shí)現(xiàn)了血液的氧合[19]。

2 可注射水凝膠在眼科的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)水凝膠時(shí)根據(jù)用途決定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),在眼科的應(yīng)用包括眼科藥物載體、創(chuàng)口黏著劑、玻璃體替代物和細(xì)胞支架等，所有的應(yīng)用材料均應(yīng)保持無(wú)菌、無(wú)毒、有良好的生物兼容性[11]。作為藥物載體時(shí)，為了保證藥物活性分子的有效性和穩(wěn)定性，需要考慮載入藥物的方式、藥物的劑量、聚合物濃度、交聯(lián)密度及降解速率等。此外，為了保證藥物等活性因子的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)水凝膠時(shí)其應(yīng)用環(huán)境的溫度、pH值、酶等也需考慮[20-21]。原位交聯(lián)水凝膠作為玻璃體替代物時(shí)，至少應(yīng)滿足以下要求[22]：良好的透光率；與天然玻璃體有相同的黏彈性，維持眼球形狀及支撐視網(wǎng)膜；易操作。設(shè)計(jì)出符合要求的水凝膠后，需在體外體內(nèi)反復(fù)驗(yàn)證其安全性及有效性，盡管水凝膠有很大的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，然而現(xiàn)在應(yīng)用的材料沒有達(dá)到大多數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)要求，水凝膠的設(shè)計(jì)面臨著很多挑戰(zhàn)。

3 可注射水凝膠在眼科的應(yīng)用及未來(lái)趨勢(shì)

3.1 眼科藥物/活性因子載體對(duì)于一些眼部疾病，如白內(nèi)障、青光眼、糖尿病性視網(wǎng)膜變性、老年性黃斑變性、葡萄膜炎等均會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的視力損傷和視力丟失，可用藥物進(jìn)行治療或改善癥狀[23-24]。眼部結(jié)構(gòu)的特殊性增加了局部給藥的難度[25]，在眼表給藥時(shí)，由于角膜-房水屏障、淚液引流及生理性眨眼等，使藥物清除率過(guò)高。眼周注射或玻璃體內(nèi)注射提高了藥物的吸收率，但也伴隨著眼壓升高、眼內(nèi)炎和眼內(nèi)出血等并發(fā)癥，且重復(fù)給藥降低了患者依從性[26]。因此應(yīng)用水凝膠作為藥物載體進(jìn)行局部給藥能夠延長(zhǎng)藥物緩釋時(shí)間，并且易被患者接受[27]。目前批準(zhǔn)上市應(yīng)用于眼部的水凝膠有Carbomer?[28]，熱敏的Pluronic?F-127、Pluronic?F-68[29]等。眼表擦傷、挫傷或經(jīng)角膜切口手術(shù)之后，不及時(shí)治療會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的角膜變形、角膜穿孔及不可逆性失明。以PEG-PCL-PEG共聚物制成的熱敏水凝膠攜帶抗新生血管生成藥物貝伐珠單抗，在低溫下與藥物混合，使用到眼表的同時(shí)升溫到體溫，經(jīng)歷液相-水膠相的轉(zhuǎn)變，在兔眼模型中，與沒有水凝膠作為載體相比，新生血管區(qū)域明顯減少[30]。近年美國(guó)食品與藥品管理局批準(zhǔn)上市了一種淚管內(nèi)植入的地塞米松洗脫水凝膠，商品名為DEXTENZATM。水凝膠的構(gòu)成部分是PEG，在前期臨床實(shí)驗(yàn)中，隨著PEG的降解，地塞米松在28 d內(nèi)緩慢釋放，并且沒有毒性反應(yīng)，可替代白內(nèi)障患者術(shù)后給藥[31]。青光眼是由于房水產(chǎn)生和引流失衡所導(dǎo)致的眼壓增高，常用的眼表給藥方式生物利用度較低，而結(jié)膜下注藥容易過(guò)量且殘留時(shí)間較短。有研究利用了熱敏的殼聚糖-明膠所制成的水凝膠，載入含有姜黃素負(fù)載的納米顆粒和拉坦前列腺素作為雙向藥物載體治療青光眼[32]。利用環(huán)糊精(α-CD)和低相對(duì)分子質(zhì)量的四臂PEG所形成的水凝膠(α-CD/4-PEG)有觸變行為，當(dāng)受到剪切應(yīng)力后呈現(xiàn)液相-膠相的轉(zhuǎn)變[33]。一些引起不可逆視力損傷的視網(wǎng)膜疾病，如老年性黃斑變性、視網(wǎng)膜色素變性和視網(wǎng)膜退行性變等，常用皮質(zhì)醇、抗血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)等控制眼底新生血管[25]。對(duì)于視網(wǎng)膜退行性病變，可用睫狀神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(ciliary neurotrophic factor,CNTF)經(jīng)玻璃體內(nèi)注射進(jìn)行治療，研究設(shè)計(jì)了一種水楊酸和甲基纖維素的熱敏水凝膠，攜帶與CNTF親和的SH3結(jié)構(gòu)域，能夠緩釋CNTF，在小鼠玻璃體內(nèi)注射載有CNTF-SH3的水凝膠后，釋放的CNTF穩(wěn)定且有生物活性[21]。對(duì)于真菌性角膜炎，有研究利用明膠水凝膠傳遞角膜特異性穿透肽，提高其生物利用度[20]。席夫堿交聯(lián)的多聚糖水凝膠載有伏立康唑，注射到玻璃體內(nèi)可治療真菌性眼內(nèi)炎[34]。攜帶有糖基化的曲安奈德熱敏水凝膠，與傳統(tǒng)的玻璃體內(nèi)注射曲安奈德相比更能控制葡萄膜炎的發(fā)展[35]。

3.2 創(chuàng)口黏著劑眼部的手術(shù)或外傷后，常規(guī)的處理辦法是絲線縫合，但對(duì)于角膜來(lái)說(shuō)有感染、混濁、穿孔的風(fēng)險(xiǎn)[36]。目前治療角膜創(chuàng)傷方法還包括羊膜繃帶[37]、繃帶隱形眼鏡[38]和膠原蛋白保護(hù)盾[39]等。美國(guó)食品與藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)上市了一種PEG為材料制成的水凝膠，商品名為ReSure?，在經(jīng)角膜切口術(shù)后應(yīng)用到角膜，可減少縫合造成的角膜散光[40]。有研究設(shè)計(jì)了一種可注射的熱敏密封膠，用來(lái)封閉眼球表面開放性外傷[41]。這種智能水凝膠是由N-異丙基丙基酰胺與丁基丙基丙烯酸酯共聚形成，升溫到體溫所形成，暴露在冷水之后可移出眼睛，不造成附加傷害。在體外實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，均證實(shí)了熱敏密封膠的安全性、有效性及形狀適應(yīng)性，其具有作為智能創(chuàng)面密封劑的潛能。對(duì)于裂孔性視網(wǎng)膜脫離，當(dāng)前可采用激光治療和玻璃體切除結(jié)合鞏膜扣帶術(shù)進(jìn)行治療，但伴隨著很多并發(fā)癥，最常見增生性玻璃體視網(wǎng)膜病變[42]。于是研究者設(shè)想出用有黏性的柔軟的玻片封閉視網(wǎng)膜裂孔，防止玻璃血清進(jìn)入視網(wǎng)膜間隙造成更嚴(yán)重的視網(wǎng)膜脫落。Hoshi等[43]設(shè)計(jì)出了一種光交聯(lián)的PEG聚合物水凝膠，在兔眼實(shí)驗(yàn)中，這種材料能夠有效的封閉視網(wǎng)膜裂孔，并在隨后的6個(gè)月中視網(wǎng)膜一直保持附著狀態(tài)，不需要術(shù)后注入氣體進(jìn)行填壓，材料無(wú)毒性和無(wú)明顯炎癥反應(yīng)，提示了未來(lái)投入臨床使用的可能性。

3.3 玻璃體替代物在玻璃體視網(wǎng)膜疾病中，玻璃體切割術(shù)切除混濁的玻璃體或玻璃體視網(wǎng)膜牽拉，恢復(fù)透明的屈光間質(zhì)并使視網(wǎng)膜復(fù)位。玻璃體切割術(shù)后需要在玻璃體內(nèi)填充玻璃體替代物，維持眼球形狀，使視網(wǎng)膜復(fù)位。當(dāng)前使用的玻璃體替代物有BSS、惰性氣體以及硅油等，但BSS及氣體填充時(shí)間短，而硅油填充容易乳化，且伴隨著術(shù)后取油的負(fù)擔(dān)。目前國(guó)內(nèi)上市了一種折疊式人工玻璃體球囊(foldable capsular vitreous body,FCVB)，由醫(yī)用硅膠材料制成，術(shù)中在球囊內(nèi)注入PVA水凝膠，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地放置在眼內(nèi)，可應(yīng)用于嚴(yán)重的視網(wǎng)膜脫離[9]。天然聚合物來(lái)源的水凝膠，如水楊酸[44-45]、膠原[46]、殼聚糖[47]等，兼容性良好，有作為玻璃體替代物的潛力，但由于各材料容易降解、黏度低，因而填塞效果較差，只適合作為短期的填塞。改性后制成的水凝膠，如膠原蛋白和聚(甲基丙烯酰胺-共聚-甲基丙烯酸酯)[Poly(MAM-co-MA)]復(fù)合物構(gòu)成的仿生玻璃體，注入玻璃體內(nèi)后，在體溫下凝膠，膨脹了的水凝膠能在體外環(huán)境中保持4周不降解，但需進(jìn)一步通過(guò)體內(nèi)試驗(yàn)證實(shí)其有效性[48]。合成聚合物制成的水凝膠，如Bio-Alcamid?商品是一種聚脘基胺水凝膠，在玻璃體替代物的體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)中，對(duì)視網(wǎng)膜的功能和形態(tài)均有嚴(yán)重的不良反應(yīng)[49-50]。有研究報(bào)道了一種以PEG制成的超低分子聚合物，能在10 min內(nèi)快速形成水凝膠，有著極低的膨脹率，能長(zhǎng)時(shí)間填充在眼內(nèi)，注入了兔眼玻璃體內(nèi)后1年內(nèi)無(wú)明顯不良反應(yīng)，或許可成為未來(lái)玻璃體替代物[51]。近年來(lái)，有研究發(fā)現(xiàn)了一種超吸水的高分子聚合物水凝膠，其力學(xué)模量、透光率、折射率和穩(wěn)定性等參數(shù)與天然玻璃體類似，注入兔眼16周后，對(duì)眼周圍軟組織沒有明顯影響[52]。

3.4 攜帶細(xì)胞/作為支撐細(xì)胞的支架材料細(xì)胞包封治療(encapsulated-cell therapy,ECT)是基于細(xì)胞治療的一種傳遞方式，可以移植細(xì)胞進(jìn)行組織的替代，也可以利用細(xì)胞進(jìn)行持續(xù)的藥物輸送，在糖尿病及一些中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂疾病中研究較多[53]。在眼科的治療中，近年來(lái)報(bào)道了一種藻酸鹽-膠原復(fù)合物水凝膠作為基質(zhì)構(gòu)建的ECT平臺(tái)[54]。其中藻酸鹽具有良好的細(xì)胞固定能力和可調(diào)節(jié)的機(jī)械性能，而膠原作為一種細(xì)胞外基質(zhì)，能促進(jìn)細(xì)胞黏附、存活和增殖，藻酸鹽-膠原復(fù)合物規(guī)避了各自缺點(diǎn)，有很好的機(jī)械性能[55]。包封的細(xì)胞能持續(xù)釋放膠質(zhì)細(xì)胞源性的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(glial-cell derived neuroreophic factor,GDNF)，這個(gè)研究的亮點(diǎn)在于只需口服多西環(huán)素就能控制藥物釋放的終點(diǎn)，避免GDNF過(guò)量引起的安全問題。對(duì)遺傳性視網(wǎng)膜變性大鼠長(zhǎng)期使用藻酸鹽-膠原復(fù)合物構(gòu)建的模型，視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)和功能均得到了改善，置入6個(gè)月后仍能有效支持細(xì)胞生存，該平臺(tái)或許可作為未來(lái)眼底病治療的一種方式。

水凝膠可提供細(xì)胞合適的微環(huán)境，促進(jìn)細(xì)胞黏附、增生和分化，廣泛應(yīng)用于再生醫(yī)學(xué)[56]。 研究發(fā)現(xiàn)，一種可注射的熱敏羧甲基已基殼聚糖(carboxymethyl-hexanoyl chitosan,CHC)水凝膠作為誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)的支架，能夠使干細(xì)胞增殖和分化。iPSC/CHC水凝膠還能降低氧化應(yīng)激反應(yīng)，招募內(nèi)源性角膜上皮細(xì)胞恢復(fù)角膜上皮的厚度，由此促進(jìn)受損角膜的重建[57]。當(dāng)前沒有治愈治療視網(wǎng)膜退行性病變的辦法，為了促進(jìn)胚胎干細(xì)胞、iPSCs的生長(zhǎng)，利用可注射的藻酸鈣制成的水凝膠作為支架，能維持細(xì)胞存活45 d，視網(wǎng)膜色素上皮和視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的標(biāo)記物在其中表達(dá)上調(diào)[58]。

4 結(jié)論

綜上所述，根據(jù)疾病治療的需求不同，在眼科藥物傳遞、細(xì)胞傳輸、修補(bǔ)創(chuàng)口及組織填充等方面，設(shè)計(jì)出不同作用效果的水凝膠，天然聚合物來(lái)源的水凝膠生物兼容性良好，但性能不可控，會(huì)造成不穩(wěn)定的膠化過(guò)程及難以控制的降解速率。改性后的水凝膠滿足多種需求，更有研究潛力?？勺⑸渌z由于是原位交聯(lián)，更應(yīng)該控制好膠化時(shí)間，避免注射過(guò)程中的剪切應(yīng)力對(duì)水凝膠的性能造成影響。盡管有一部分可注射水凝膠已被批準(zhǔn)上市，但大多數(shù)研究其作為攜帶藥物的載體，少部分作為創(chuàng)口修補(bǔ)，更多的研究應(yīng)該致力于玻璃體替代物及干細(xì)胞治療方面。