水凝膠作為眼部藥物控釋系統(tǒng)載體的研究進展

王 爭 梁 亮 陳玢琳

(三峽大學 第一臨床醫(yī)學院[宜昌市中心人民醫(yī)院] 眼科 & 三峽大學 眼科研究所， 湖北 宜昌 443003)

藥物在眼病的預防、診斷和治療中起著重要作用。由于眼睛在解剖上的復雜性和生理上的特殊性，在全身給藥后，僅有1%～2%可到達靶部位，因此眼科常采用局部給藥[1]。滴眼劑給藥時，經(jīng)眼外排出、眼內清除、組織結合或滅活作用后，藥物在眼部的生物利用度不足5%[2]。對于年齡相關性黃斑變性、視網(wǎng)膜血管疾病和青光眼視神經(jīng)病變等眼底疾病，需要通過玻璃體注射將藥物輸送至眼后段，而玻璃體內的藥物半衰期較短，往往需要反復注射，給患者帶來不便的同時，還提高了眼內炎、視網(wǎng)膜脫離、眼內出血和高眼壓等并發(fā)癥的發(fā)生概率。因此，提高藥物生物利用度和降低藥物副作用是眼部藥物遞送的研究重點，其中構建藥物控釋系統(tǒng)是解決這一問題的有效途徑。

眼部藥物控釋系統(tǒng)是將藥物與活性載體制成控釋劑，通過活性載體與藥物的有機結合與分離，維持局部藥物濃度[3]。眼部藥物控釋系統(tǒng)的發(fā)展促進了活性載體用于眼部給藥的研究進展。近年來，許多生物材料如納米膠束、納米粒子、脂質體、植入物、隱形眼鏡、納米懸浮液、微針和水凝膠等新型藥物傳遞系統(tǒng)逐步被報道有助于眼部的藥物利用[4]。其中，水凝膠因其優(yōu)越的生物相容性、可降解性、智能調控性等成為眼部藥物遞送中的研究熱點。本文將論述應用于眼部不同種類的水凝膠控釋系統(tǒng)的國內外研究進展，并對其分析，以期為水凝膠在眼部藥物遞送上的進一步開發(fā)和應用提供新思路。

1 眼部的藥物遞送

由于淚液引流、角膜清除的生理屏障及代謝酶降解作用，藥物在眼部的利用度較低。為了解決這一問題，研究人員設計合成了許多藥物遞送載體，主要有脂質體、納米粒、微球、眼部植入劑等。脂質體和納米粒具有增加角膜通透性、緩釋和降低毒性反應等優(yōu)點，但存在熱力學性質不穩(wěn)定、不能長期保存、包封率低、難滅菌和無法規(guī)模生產(chǎn)的不足，尚未得到廣泛應用[5]。微球穩(wěn)定性較好，釋藥速率穩(wěn)定，但過大的粒徑可能會干擾光路，降低患者耐受性，且無菌微球的大規(guī)模生產(chǎn)成本較高[6]。此外，眼部植入劑也會出現(xiàn)個別患者有眼部異物感、固體植入劑可能在眼部移動和操作相對復雜的問題[7]。隨著手術技術、治療方法及材料科學的進步和發(fā)展，水凝膠給藥系統(tǒng)被開發(fā)出來，旨在克服眼部藥物遞送的種種障礙，提高療效、降低毒副作用。

2 眼部水凝膠概述

水凝膠的本質是一種能在水中溶脹而不溶解的親水性三維網(wǎng)絡結構高分子聚合物，在軟性角膜接觸鏡、細胞和酶的固定、藥物遞送、組織工程等生物醫(yī)學領域有著廣泛應用[8-11]。水凝膠在藥物遞送中，可根據(jù)外界環(huán)境改變凝膠結構起到控制藥物釋放的作用，具有靶向性、高生物利用度和高安全性等優(yōu)點。因此，集吸水、保濕、緩釋、柔軟、良好的生物相容性以及智能可調控性于一身的水凝膠在眼部的應用受到越來越多的關注。而根據(jù)眼部疾病治療方法和藥物理化性質的不同，所合成的水凝膠的材料和性能也各不相同。

3 眼部水凝膠種類

3.1 溫度敏感型水凝膠

溫度敏感型水凝膠存在著一個最低臨界相變溫度(lower critical solution temperature，LCST)，當溫度低于LCST時，水凝膠為澄清透明的水溶液；當溫度高于LCST時，水凝膠呈現(xiàn)凝膠狀態(tài)[12]。在用于眼表給藥時，滴眼液給藥精準方便，給藥后可以在生理條件下立即凝膠化而不會模糊視力，形成的凝膠具有較高的粘附性，可延長眼表滯留時間。Kong等[13]將熒光素鈉加入到左氧氟沙星的溫度敏感型水凝膠體系中，結果發(fā)現(xiàn)，根據(jù)水凝膠的配方不同可將角膜滯留時間從30 min延長至9 h。梁楠[14]將泊洛沙姆聯(lián)合復合羧甲基化殼聚糖制備了溫度敏感水凝膠，裝載雙氯芬酸鈉后滴入兔眼，與溶液型滴眼劑相比，凝膠滴眼劑的眼表滯留時間增加了3倍以上，房水中藥物濃度在各個時間點均明顯升高。Mohammed等[15]利用殼聚糖的抗菌性，制成了一種抗菌型溫度敏感型水凝膠，并加入抗生素后聯(lián)合抗菌，與普通抗生素滴眼劑相比，在兔眼細菌性角膜炎模型中具有更好的治療效果。以上研究證明，溫度敏感型水凝膠裝載藥物，一方面可延長藥物作用時間，另一方面有助于提高藥物作用。同樣的，溫度敏感型水凝膠也被應用于玻璃體注藥治療眼內疾病。Awwad等[16]將透明質酸與溫敏高分子交聯(lián)制成了一種可在眼內降解的溫度敏感型水凝膠，裝載治療老年性黃斑病變的蛋白性藥物英夫利昔單抗和貝伐單抗，在保留蛋白質三級結構的情況下，體外實現(xiàn)了長達50 d的抗體緩釋。該研究證明，將藥物包裹在具有納米復合體系的溫度敏感型水凝膠中，可以避免藥物在眼內被酶降解，同時凝膠基質增加了額外擴散阻力，可實現(xiàn)藥物在玻璃體內的長期零級動力學釋放。維甲酸、曲安奈德、抗VEGF藥物均已被裝載于溫度敏感型納米復合材料水凝膠中，并且取得了較好的控釋效果[17-19]。

溫敏聚合物泊洛沙姆對角膜的刺激性較小，在溫度敏感型水凝膠中應用最廣泛。但泊洛沙姆生物黏附性一般、膠凝濃度大、強度低、溶蝕性快。為了適應眼部的藥物遞送，有研究者加入了如聚卡波非，增強其生物黏附力和流變學性能[20]。另有研究者開發(fā)了泊洛沙姆-聚丙烯接枝共聚物，使其能在較低的聚合物濃度下(1%～5%)形成凝膠，解決了高濃度泊洛沙姆的高滲透壓引起的眼部不適[21]。但仍存在著膠凝過程中相轉變速度較慢引起藥物流失的問題。因此，改善凝膠的膠凝性質及相轉變速度，是溫度敏感型水凝膠新的研究方向之一。

3.2 pH敏感型水凝膠

pH敏感型原位膠凝體系由含酸性或堿性基團的pH敏感聚合物組成，聚合物會隨著周圍環(huán)境中pH的改變而發(fā)生轉化。與溫度敏感性水凝膠相似，應用于眼部的pH敏感型水凝膠被設計成具有在非生理條件下為流動的液態(tài)，與淚液接觸(pH值為7.2～7.4)后轉化成凝膠態(tài)的理化性質。趙玉娜等[22]以卡波姆為凝膠基質、羥丙甲基纖維素為增稠劑制備了在非生理條件下(pH 4.0)為流動的液態(tài)，生理條件下(pH 7.4)膠凝成為半固態(tài)的pH敏感型氯霉素水凝膠滴眼劑，8 h體外釋藥達到80%，12 h釋放完全。該研究證明，pH敏感型水凝膠具有藥物緩釋功能，并可完全將藥物釋放至眼內。魟魚軟骨多糖(ray cartilage glycosaminoglycans， RCG)是從魟魚軟骨中分離純化得到的單一多糖，研究證明RCG滴眼液能夠抑制角膜組織血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的表達，對大鼠角膜新生血管的形成具有顯著的抑制作用[23]。郭斌等[24]將RCG裝載于pH敏感型水凝膠中，滴入兔眼后對不同組織的藥代動力學進行分析，發(fā)現(xiàn)RCG在角膜中的分布遠高于虹膜、房水和玻璃體，可充分發(fā)揮其在角膜的治療作用。并發(fā)現(xiàn)當RCG的載藥量超過50 mg/mL時，能明顯的抑制兔眼角膜新生血管生成。該研究證明pH敏感性水凝膠具有較好的生物相容性，可高效地將藥物遞送至角膜。

常用的pH敏感型眼用凝膠的基質主要是聚丙烯酸類，其中以卡波普系列應用最多?？úㄆ辗肿又泻写罅眶然?，在淚液中羧基團解離，靜電斥力可使分子鏈膨脹，聚合物黏度急劇增大[25]。然而膠凝濃度過大具有一定的毒性，不易被中和。因此在制備眼部水凝膠控釋系統(tǒng)中，常與羥丙基甲基纖維素合用，可一定程度降低卡波普濃度，減少眼部刺激性。因此，加大對凝膠基質的開發(fā)力度，確保凝膠的安全無毒是目前pH敏感型眼用凝膠需要克服的問題。

3.3 離子敏感型水凝膠

離子敏感型水凝膠可與生理條件下的離子交聯(lián)，發(fā)生溶膠與凝膠轉變。由于淚液中含有Na+、K+、Mg2+及Ca2+等離子，因此通過離子活化水凝膠同樣適用于眼部給藥。研究發(fā)現(xiàn)，使用環(huán)糊精來增加抗真菌藥物益康唑的溶解度，制成的離子敏感型水凝膠在體外能持續(xù)釋放藥物6 h[26]。他們發(fā)現(xiàn)凝膠制劑可使益康唑的角膜清除率明顯降低，且不影響藥物在鼠眼的角膜滲透率。雙糖體是由非離子表面活性劑和膽鹽組成的雙層囊泡，囊泡中的兩親性膽鹽可通過黏膜細胞膜的脂質層，增強藥物的黏膜滲透性，已應用于皮膚和腸道藥物遞送[27, 28]。Janga等[29]首次將雙糖體應用于眼部，加入0.3% w/v的結冷膠裝載那他霉素(natamycin，NT)制成離子敏感型水凝膠，在滴入兔眼6 h后，除玻璃體外，角膜、房水、虹膜睫狀體、鞏膜、視網(wǎng)膜、脈絡膜組織的藥物平均劑量歸一化水平均高于那他霉素溶液組。其機制與凝膠狀態(tài)與角膜黏附性更強有關，且雙糖體賦予了水凝膠緩釋系統(tǒng)更強的角膜滲透性，從而確保了更長的停留時間和更高的眼內藥物濃度。

結冷膠是眼用離子敏感凝膠最常用的基質之一，陰離子型去乙酰結冷膠的羰基可與淚液中陽離子絡合，形成穩(wěn)定雙螺旋的鏈間氫鍵。每2條雙螺旋又逆向聚集構成三維凝膠網(wǎng)絡結構[30]。馬來酸噻嗎洛爾長效眼用制劑Timoptic XE?中含有去乙酰結冷膠，已被應用于開角型、閉角型青光眼，以及繼發(fā)性青光眼和其他高眼壓癥的臨床治療。但由于其價格昂貴，目前國內臨床應用不多。因此，簡化合成過程，節(jié)省材料費用，是離子敏感型水凝膠在應用與推廣中需優(yōu)化的地方。

3.4 光敏水凝膠

光敏水凝膠中含有光致變色基團，因此可通過調節(jié)光源信號，使基團發(fā)生光反應(異構化、裂解或二聚化等)，將光信號轉換為化學信號，使水凝膠發(fā)生相變。與pH、溫度等刺激相比，光刺激的時間和空間具有高度的可控性，可遠程且無創(chuàng)地控制治療藥物在局部的釋放量[31]。因此有研究者設想，通過人為調控透射入眼后節(jié)的光線控制藥物釋放，為眼內疾病的治療提供一種新途徑。Stuart等[32]將蛋白質微粒包裹在可光固化的水凝膠中，該系統(tǒng)在體外可釋放貝伐單抗達90 d。Liu等[33]將一種可作為抑制膠原合成靶點的多肽疏水性喜樹堿，包封在光交聯(lián)水凝膠中制成微針，在體外能持續(xù)釋放達20 h，并且能有效抑制瘢痕疙瘩成纖維細胞I型膠原的表達，表明該緩釋系統(tǒng)在治療青光眼濾過術后瘢痕上具有潛在價值。

作為在玻璃體內實現(xiàn)交聯(lián)的光敏水凝膠，交聯(lián)時間過長可導致藥物或藥物前體在玻璃體內提前釋放。Tyagi等[34]研發(fā)了一種光激活的水凝膠系統(tǒng)，脈絡膜注射裝有游離貝伐單抗的光激活水凝膠前體后，通過調控光照時間來控制藥物釋放。該研究發(fā)現(xiàn)，光激活的水凝膠系統(tǒng)可持續(xù)釋放抗體4個月。然而在光交聯(lián)初期存在突釋現(xiàn)象，不同光照時間初始突釋量不等。光交聯(lián)時間為10 min時，突釋量最低為21%[34]。另外，光敏水凝膠中的光敏劑吸收光能后能產(chǎn)生自由基、陽離子等，從而引發(fā)單體聚合交聯(lián)固化形成凝膠。這些自由基可能會對附近的組織造成一定的毒性。同時，紫外線照射可能會影響蛋白質類藥物的穩(wěn)定性。因此，光敏水凝膠作為一種新型眼部水凝膠，雖具有定點、定時、定量釋放的特點，但仍存在許多問題有待進一步解決。

3.5 超分子水凝膠

超分子水凝膠是一種由小分子化合物通過自組裝，形成的有序結構水凝膠[35]。與聚合物水凝膠中的交聯(lián)不同，超分子水凝膠之間的納米纖維通過非共價鍵交聯(lián)，具有刺激響應性、結合可逆性、交聯(lián)可調節(jié)性、生物相容性和仿生學特性等優(yōu)點[36]。Zhang等[37]針對地塞米松(dexamethasone，Dex)水溶性較差的問題，加入琥珀酸后改性制成前藥，得到水溶性良好的琥珀酸地塞米松偶聯(lián)物(succinated dexamethasone，Dex-SA)，制成Dex-SA的超分子水凝膠滴眼液。在體外釋放中發(fā)現(xiàn)，前藥Dex-SA在5 d內幾乎全部從水凝膠中釋放出來，并能快速在磷酸鹽緩沖液中轉化為母藥Dex，同時藥物的釋放速率也可以通過水凝膠的pH進行調節(jié)。在兔眼房水的生物利用度檢測上，Dex凝膠劑是Dex水溶液的5.6倍。同樣地，曲安奈德與琥珀酸耦連后裝載在超分子水凝膠中，形成可注射的琥珀酸曲安奈德凝膠制劑[38]。在體外，幾乎100%的曲安奈德可緩釋達3 d。在鼠眼中，琥珀酸曲安奈德凝膠劑在6 h內穿透鞏膜的藥物量是市售曲安奈德混懸液的25倍，且整個實驗過程中，注射凝膠后的視網(wǎng)膜沒有出現(xiàn)明顯形態(tài)學異常改變，而琥珀酸曲安奈德混懸液在注射1 d后視網(wǎng)膜形態(tài)即有明顯改變。證明琥珀酸曲安奈德水凝膠在眼后段具有較好的安全性和生物相容性，在治療眼后段炎癥如葡萄膜炎上具有明顯優(yōu)勢。值得注意的是，這兩種超分子水凝膠具有觸變性，即在生理眨眼或通過注射器針頭引起的剪切作用下可以發(fā)生凝膠-溶膠狀態(tài)轉變，十分適合眼部藥物遞送。

近幾年來，氨基酸超分子水凝膠成為了最流行的超分子水凝膠構建體系之一。與其他小型有機分子相比，使用統(tǒng)一的生命單位更適合于生物醫(yī)學。22 個天然氨基酸與非天然氨基酸為產(chǎn)生自組裝肽提供了巨大的分子空間，固相肽合成的開發(fā)和肽合成儀的商業(yè)化大大減少了肽合成的負擔。在肽鏈的構建中，改變手性結構、多肽骨架折疊方式、修飾終端和側鏈為生物醫(yī)學和臨床實踐的發(fā)展提供了更多可能[39]。

4 總結與展望

安全、穩(wěn)定、高效的藥物遞送一直是眼部用藥的研究方向，水凝膠作為眼部藥物控釋系統(tǒng)的載體，具有延長藥物眼部滯留時間、提高生物利用度、減少給藥頻率等方面優(yōu)勢。盡管關于眼部水凝膠的研究取得了一定的成果，但也觀察到許多問題，如溫度敏感型凝膠所使用的聚合物泊洛沙姆的長期應用，需要考慮對角膜和其他眼組織的安全性。此外，pH敏感型的卡波姆膠凝濃度高，且不隨剪切力改變，即在眨眼和不眨眼時保持同樣粘度，因此濃度過高時眨眼會感到疼痛。雖然離子敏感型的結冷膠在0.1%的濃度下即可發(fā)生膠凝，但它在眼內所形成的硬凝膠難以再被淚液溶蝕，可能帶來異物感等。因此，應加大對凝膠劑基質材料研發(fā)力度，包括更多新輔料的合成以及其安全性評價。同時，引進納米技術、分子印跡等優(yōu)化水凝膠的性能，實現(xiàn)對釋放速率的調控，以滿足不同的藥物特性和疾病治療要求。隨著凝膠基質的不斷完善和技術瓶頸的克服，水凝膠將成為一種極具潛力的藥物遞送載體。