新型納米材料在干眼中的應(yīng)用進展

黎彪*，李娟* 綜述 邵毅 審校

(1.南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院眼科，南昌 330006；2.西安市第四醫(yī)院眼科，西安 710004)

不同眼部藥物需要通過不同的生物屏障到達眼表。首先藥物分子在淚膜上稀釋，淚膜厚度約為10 μm。由外部脂質(zhì)層、含鹽的中間水層、分泌的粘蛋白、蛋白質(zhì)和代謝酶組成，內(nèi)層主要由溶菌酶和結(jié)膜杯狀細胞分泌的粘蛋白，蛋白質(zhì)和代謝酶組成，形成粘蛋白層(糖蛋白層)，厚度為500 nm[1]。淚液外層(1～3 μL/min)的快速更新速率以及瞬目反射，嚴重限制了藥物在角膜的停留時間(＜1 min)，從而嚴重限制了眼局部滴注藥物的生物利用度(＜5%)[2]。局部點藥是將藥物輸送到眼睛的最常見的方式，上述生物屏障使眼部藥物生物利用度極低(低于5%)。

由于藥物作用靶位點不同，藥物需要保留在角、結(jié)膜處或穿過這些屏障并到達進入眼內(nèi)。藥物進入結(jié)膜通常與全身藥物吸收有關(guān)，并且它受到鞏膜的阻礙[3]。因此，角膜是滴眼液藥物進入眼內(nèi)的主要通路。穿過角膜屏障是許多藥物的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。而高度組織化的多層角膜上皮細胞和親水性基質(zhì)使得藥物的通過角膜非常困難。這種情況下可能通過被動擴散發(fā)生轉(zhuǎn)運，轉(zhuǎn)運藥物蛋白可能發(fā)揮重要作用[4]。提出了局部和眼內(nèi)給藥的遞送策略，由于眼表屏障的復(fù)雜性，需要設(shè)計合理的載體將藥物遞送入眼，近年興起的納米結(jié)構(gòu)材料能較好的搭載藥物，使其通過角膜、結(jié)膜屏障或者其本身發(fā)揮治療作用。

1 眼部藥物的生物利用度

低分子量親脂性藥物可以通過跨角膜上皮細胞途徑擴散。藥物保留在角膜基質(zhì)中，形成貯庫，藥物從該貯庫釋放到房水中。這類藥物進入內(nèi)眼有限且緩慢，并伴隨患者不適感和藥物損失。

低分子量親水性藥物中，例如許多抗生素可以很容易地配制成水性滴眼液。然而，它們通過角膜上皮細胞的能力有限，需要經(jīng)細胞旁路入眼，這種運輸受到細胞間緊密連接的限制[5]。而目前，包括核酸、肽、蛋白質(zhì)和抗體等水溶性大分子在眼科領(lǐng)域中受到越來越多的關(guān)注，由于這些分子被細胞外酶迅速降解，其通過細胞旁機制進入眼內(nèi)是完全受限的[6-7]。

除被動的跨細胞和細胞間轉(zhuǎn)運外，角膜上的轉(zhuǎn)運蛋白可能有助于特定分子通過角膜。但這種運輸機制對提高藥物的眼部生物利用度的貢獻有限[4]。

總之，提高眼部藥物有效藥物濃度困難很大。除非該藥物具有低分子量和中等親脂性，并能以適度的方式進入眼內(nèi)。為改善眼部疾病的治療，迫切需要一種能提高藥物在眼部的生物利用度的遞送系統(tǒng)。

2 新型納米載體

納米結(jié)構(gòu)材料提供了適合藥物克服角膜、結(jié)膜屏障的遞送系統(tǒng)，眼部藥物遞送的納米載體已顯示出以下特性：1)能夠結(jié)合多種藥物(包括大的生物大分子)；2)減少不穩(wěn)定藥物的降解；3)延長藥物在眼表的停留時間；4)改善藥物與角膜上皮細胞及結(jié)膜細胞的相互作用，從而改善它們的生物利用度[8]。納米載體藥物用于眼部給藥始于80年代[9]。納米結(jié)構(gòu)材料藥物局部給藥后通過與眼表的相互作用提高藥物的生物利用度。基于納米技術(shù)配制的親脂性，親水性和高分子量藥物，是除藥物化學(xué)修飾之外的提高藥物在眼局部的生物利用度的可靠方法。

2.1 脂質(zhì)體和類脂質(zhì)囊泡

脂質(zhì)體在1980年代首次應(yīng)用，目的是增強藥物的角膜滲透[10]。有研究[11]分析了脂質(zhì)體藥物在角膜中的轉(zhuǎn)運。如由硬脂胺(stearyl amine，SA)，1,2-二油基-3-三甲基銨丙烷(1,2-dioleyl-3-trimethyl ammonium propane，DOTAP)組成的陽離子脂質(zhì)體可與眼表面帶負電荷的黏蛋白相互作用，從而有效地通過角膜上皮細胞內(nèi)化入眼。脂質(zhì)體藥物攜帶的正電荷延長其在眼表的停留時間，增強藥物在角膜的滲透[12]，除電荷的影響外，脂質(zhì)體的大小也會影響它們的滲透。

類脂質(zhì)囊泡(Niosomes)是由兩親性非離子表面活性劑形成的特定類型的囊泡，已被提出用于局部給藥。這種納米結(jié)構(gòu)可以打開細胞的緊密連接從而改變角膜的滲透性，提高眼部藥物的生物利用度[13]。此外，與脂質(zhì)體一樣，陽離子類脂質(zhì)囊泡能改善藥物在眼表的生物利用度[14]。

2.2 納米乳劑

水包油納米乳劑用于眼局部給藥[15]。納米乳劑中的表面活性劑與眼表的相互作用在穩(wěn)定藥物活性方面起關(guān)鍵作用。聚氧乙烯化的非離子表面活性劑可以松解細胞緊密連接，形成轉(zhuǎn)運開口。還可以抑制角膜上皮細胞表面糖蛋白酶P(glycoprotein P，Pgp)降解藥物活性蛋白。這兩種效應(yīng)都使油性滴眼藥物在角膜中運輸增強，生物利用度提高[16]。另外，陽離子表面活性劑，如十六烷基三甲基溴化銨(hexadecyl trimethyl ammonium bromide，CTAB)，1,2-二油基-3-三甲基銨丙烷和硬脂胺，由于其在角膜上皮靜電相互作用，延長了藥物在眼表上的停留時間，提高藥物生物利用度和治療效果[17]。此外，納米乳液可與淚膜的脂質(zhì)層相互作用，使得留在結(jié)膜囊中的時間更長，可作為藥物貯庫[18]。

2.3 納米顆粒

1980 年代中期提出，聚合物基質(zhì)組成的納米顆粒用作藥物滴眼的遞送系統(tǒng)。第1個聚合物納米顆粒原型是由聚烷基組成的氰基丙烯酸酯[poly-(alkyl cyanoacr ylates)，PACA][19]。目前，已研究出了許多聚合物納米顆粒，如聚ε己內(nèi)酯(poly-ε-caprolactone，PCL)、殼聚糖、透明質(zhì)酸(hyaluronic acid，HA)、聚丙烯酸樹脂(polyacrylic resin)、卡波姆(Carbopol)、明膠、聚丁基氰基丙烯酸酯[poly butyl cyanoacrylate，PBCA)和聚乳酸-共-乙醇酸(poly-lactic-co-glycolic acid，PLGA)等[20]。這些納米顆?，F(xiàn)作為眼病局部治療的藥物載體發(fā)揮作用。

陽離子和生物黏附材料制成的納米顆粒滴眼后具有最長的保留時間[21]。1990年開發(fā)了陽離子黏膜黏附多糖殼聚糖組成的納米顆粒[22]。且殼聚糖納米顆粒能夠與眼表相互作用，通過角膜上皮和結(jié)膜上皮而不會引起毒性[23]。研究[22]發(fā)現(xiàn)：質(zhì)粒DNA負載的透明質(zhì)酸/殼聚糖納米粒子可以通過受體介導(dǎo)的內(nèi)吞進入細胞，同樣不會引起任何毒性跡象。此外，這種內(nèi)化作用能保持持久的有效轉(zhuǎn)染。

2.4 納米膠囊

1990年代早期首次提出使用聚合物納米膠囊眼部給藥[24]。這些由聚-ε-己內(nèi)酯壁包圍的油性核心組成的納米膠囊可以結(jié)合聚合物納米粒子與納米乳劑的優(yōu)點。納米膠囊的聚合物外殼會極大的影響納米膠囊的命運及其與眼表相互作用。聚-ε-己內(nèi)酯壁包圍的納米膠囊，優(yōu)先被角膜上皮細胞的表層與結(jié)膜細胞內(nèi)化[25]。當使用聚-ε-己內(nèi)酯-聚乙二醇(PCL-PEG)復(fù)合物時，納米膠囊能更深地內(nèi)化到角膜上皮，使涂覆殼聚糖的納米膠囊在角膜上皮表層更大的保留[26]。

2.5 聚合物膠束

聚合物膠束由二嵌段或多嵌段兩親共聚物自組裝成核-殼納米載體[27]。納米膠束代表分子組裝，其中兩親分子具有極性和非極性區(qū)域在水溶液中形成聚集體[28]。在這種納米結(jié)構(gòu)中，表面活性劑/聚合物的極性或離子頭形成外殼，其保持與水接觸，而非極性尾部在內(nèi)相中與水隔離，產(chǎn)生疏水核[29]。納米膠束僅在表面活性劑/聚合物與臨界濃度膠束(critical micelle concentration，CMC)濃縮時形成。膠束化過程是熱力學(xué)和自發(fā)的[30]。

在1980 年代末，Saettone 等[31]首次報道了納米膠束用于局部眼部給藥的情況。初始膠束僅由聚氧乙烯-聚氧丙烯(polyoxyethylene-polyoxypropylene，POE/POP)嵌段共聚物組成[31]。最近，膠束由聚乳酸(poly lactic acid，PLA)、普朗尼克(聚丙二醇與環(huán)氧乙烷的加聚物)、N異丙基丙烯酰胺(isopropyl acrylamide，NIPAAM)、乙烯基吡咯烷酮(Vinylpyrrolidone，VP)、丙烯酸(acrylic acid，AA)、聚羥乙基天冬(polyhydroxyethyl aspartame，PHEA-C16)和N'-亞甲基雙丙烯酰胺(methylene bisacrylamide，MBA)組成，它們能增強藥物滲透角膜的能力[32]。

如前所述，通過在膠束親水殼中引入陽離子電荷或引入能夠與膠束粘蛋白層的結(jié)合的反應(yīng)基團，如硫醇基團可延長聚合物膠束在眼表面的停留時間[33]。一般而言，膠束增加藥物滲透性的能力，無論是細胞途徑還是細胞旁途徑，都是通過兩親共聚物干擾細胞膜的能力實現(xiàn)的[34]。胞吞機制也介導(dǎo)基于聚-ε-己內(nèi)酯和聚環(huán)氧乙烷(polyethylene oxide，PEO)等完整聚合物膠束的內(nèi)化[35]。

2.6 樹狀大分子

樹枝狀大分子是圍繞核中心的重復(fù)分支分子形成的對稱結(jié)構(gòu)，已提出將其應(yīng)用于眼部藥物遞送[36]。眼部遞送中最常用的樹枝狀大分子是聚(酰氨基胺)(poly-amidoamine，PAMAM)，聚賴氨酸(poly-L-lysine，PLL)，聚丙烯亞胺(poly propylene imines，PPI)和磷樹枝狀大分子。這些分子載體主要用于基于核酸的藥物的輸送[37]，可以通過聚乙二醇化或乙?；刃揎椘浔砻鎭碓鰪娸d體的性能，并使毒性降低[38]。

通常，在局部點眼后，樹枝狀大分子會延長藥物在眼表停留時間。改善藥物在角膜前區(qū)域的生物利用度和治療效果[39]。陰離子高代PAMAM樹枝狀大分子作為通透性增強劑，主要通過小窩蛋白介導(dǎo)藥物內(nèi)化進入細胞。而中性和陽離子低代樹枝狀大分子通過網(wǎng)格蛋白途徑介導(dǎo)藥物更高的通透性[36]。

2.7 納米晶

在納米晶體中，藥物本身形成納米結(jié)構(gòu)的大部分，被賦形劑包圍，這有助于它們的穩(wěn)定性并促進它們與生物屏障的相互作用[40]。除增強藥物溶解度和溶解速率外，納米晶體具有高黏附能力，可改善藥物保留和滲透到眼組織中。這種黏附和內(nèi)化能力取決于表面活性劑的性質(zhì)。目前最常用的表面活性劑是泊洛沙姆和聚山梨醇酯[40]。

上述提出的各種用于眼科的裝載藥物的納米結(jié)構(gòu)，這些納米結(jié)構(gòu)的尺寸，從樹枝狀聚合物的幾納米到脂質(zhì)體的幾微米，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面特性不同。所描述的納米載體可使藥物在眼黏膜中的保留時間或多或少增加，并且導(dǎo)致藥物向眼睛前段的滲透增強。通常，當它們具有小尺寸和正電荷時，它們與角膜上皮的相互作用有利于藥物吸收。部分納米材料通過破壞角膜上皮細胞間的緊密連接以進入其表層。

3 納米材料在干眼的應(yīng)用

干眼是一種多因素疾病，由于眼表淚液產(chǎn)生不足或維持淚膜穩(wěn)定的能力不足而引起的眼睛刺激感，導(dǎo)致眼表的損傷，眼疲勞和視力受損等癥狀[41]。一些自身免疫病如Sj?gren綜合征、I型糖尿病、過敏和淚腺功能障礙可是干眼的發(fā)病機制[42]。年齡、性別(特別是女性)、藥物、環(huán)境條件或長時間使用隱形眼鏡等參數(shù)也被視為風險因素。干眼的治療旨在改善患者的癥狀，主要包括使用無藥物人工淚液、非處方滴眼液和潤滑劑，以使眼表水合、淚膜穩(wěn)定。嚴重病例也可能需要給予免疫抑制藥物環(huán)孢素A(cyclosporine A，CyA)[43]。裝載CyA的納米系統(tǒng)也越來越多用于干眼治療。

干眼是最先用納米系統(tǒng)藥物管理的疾病之一，例如無藥物陽離子納米乳劑和CyA負載納米乳劑。此外，在臨床中，許多基于CyA的替代品以及基于基因技術(shù)的納米療法已被研究出。研究[24]顯示：載有CyA的PCL納米膠囊的配方，與CyA油性溶液相比，可使角膜中CyA濃度增加5倍。這是由于角膜上皮中PCL納米膠囊的內(nèi)化[25]。后來通過CyA封裝到具有不同聚合物殼的各種納米膠囊中獲得了類似的結(jié)果，如透明質(zhì)酸和PCL的雙殼[44]、半胱氨酸聚乙二醇單硬脂酸酯(Cys-PEG-SA)[45]或表面活性劑與丙二醇的混合物[46]。通常，這些納米制劑較普通油性溶液在廣泛的眼組織(包括角膜、結(jié)膜、虹膜、睫狀體和房水)中都具有更高的濃度(長達24 h)。

一種含有CyA的納米粒子殼聚糖配方可作為PCL納米膠囊的替代品[47]。在對健康兔局部滴注后，這些納米顆粒導(dǎo)致角膜和結(jié)膜上皮細胞中CyA濃度的顯著增強(2～6倍)。此外，血液或血漿中未檢測到CyA[47]。

Konat Zorzi等[48]最近報道了一種治療干眼的新穎的策略。該方法基于使用陽離子化明膠納米顆粒技術(shù)，使編碼MUC5AC(具有凝膠形成性質(zhì)的粘蛋白)的質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)染結(jié)膜上皮細胞。在對兔子進行局部給藥后，這種新的納米療法導(dǎo)致兔子MUC5AC的表達增加，重要的是能夠恢復(fù)淚液的產(chǎn)生并改善角膜屏障的完整性?；蛑委煵呗詾槲磥淼母裳壑委煼椒ㄩ_辟了新的見解。

多酚，尤其是明膠-表沒食子兒茶素沒食子酸酯(gelatin-epigallocatechin gallate，EGCG)，具有抗炎作用，有助于抑制與干眼相關(guān)的炎癥[49]。明膠-EGCG相互作用驅(qū)動EGCG的自組裝與白蛋白葡聚糖形成的納米顆粒[50]。EGCG在其結(jié)構(gòu)中具有多個酚羥基，EGCG和明膠肽鏈之間的電吸引力驅(qū)動，導(dǎo)致粒子聚集并在適當?shù)臐舛刃纬傻亩喾?明膠納米顆粒[51]。

明膠-EGCG 制成的納米顆粒，其表面裝飾有透明質(zhì)酸(hyaluronic acid，HA)并命名為“GEH”。通過用人角膜上皮細胞(human corneal epithelium cells，HCECs)培養(yǎng)測定納米顆粒的體外生物相容性。合成的GEH納米顆粒具有約250 nm的直徑并帶正電荷。實驗[52]顯示：20 μg/mL GEH對HCEC沒有細胞毒性，且EGCG濃度為0.2 μg/mL下調(diào)了HCEC中表達炎癥的基因。大量的GEH納米顆粒積聚在HCEC的細胞質(zhì)和大鼠和兔的眼表中，表明GEH納米顆粒眼部遞送藥物的優(yōu)勢。GEH處理的兔眼表面顯示正常的角膜結(jié)構(gòu)，角膜裂解物中的炎性細胞因子水平?jīng)]有顯著變化。GEH納米顆粒改善了淚液分泌，并恢復(fù)了角膜熒光素染色。表明在動物眼具有高親和力的GEH納米顆粒，有效抑制眼部炎癥，可用于治療干眼[52]。

Lee等[52]的一項研究顯示：干燥應(yīng)力顯著降低淚液產(chǎn)生并增加角膜不規(guī)則評分。此外，干燥應(yīng)力顯著增加了上角膜皮細胞的分離并減少了結(jié)膜杯狀細胞的數(shù)量。干燥應(yīng)激誘導(dǎo)淚腺中促炎因子的表達。聚乙二醇/兒茶素納米復(fù)合物可有效地誘導(dǎo)淚液產(chǎn)生的增加，穩(wěn)定角膜上皮。聚乙二醇以劑量依賴性的方式增加結(jié)膜杯狀細胞和改善炎癥。該研究[52]發(fā)現(xiàn)聚乙二醇可以提高兒茶素的生物利用度。聚乙二醇/兒茶素納米復(fù)合物通過穩(wěn)定淚膜和抑制炎癥來治療干眼[52]。

Niamprem等[53]由磷脂酰膽堿和角鯊烯制成的與淚膜相似的人工淚液，粒徑為(～39±5) nm，zeta電位為-30 mV的納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體(nanostructured lipid carriers NLCs)，pH值為6.90±0.01，滲透壓為273±1 mOsm/L，表面張力的為(39±1) mN/m滴眼液。使用甲基噻唑二苯基-四唑溴化物測定法評估其對豬角膜上皮細胞無毒。且NLC滴眼液在保護角膜表面免受干燥應(yīng)激方面表現(xiàn)出更大的功效，與生理鹽水滴眼液相比，NLC滴眼液表現(xiàn)出更好的眼表保護作用并形成穩(wěn)定的淚膜，在兔眼中具有生物相容性，可作為治療干眼理想的人工淚液載體[53]。

4 結(jié)語

在過去的幾十年中，研究者已經(jīng)開發(fā)了多種納米結(jié)構(gòu)材料，用于局部給藥治療不同的眼部疾病。納米結(jié)構(gòu)材料藥物已證明其潛力：1)在角膜前區(qū)提供更長的停留時間；2)改善藥物與眼表的相互作用；3)促進藥物進入目標組織；4)提高治療效果。

納米載體的結(jié)構(gòu)類型、組成和表面性質(zhì)是改善它們與眼表面相互作用的關(guān)鍵因素，并且對于經(jīng)角膜運輸也是關(guān)鍵的。帶正電的制劑可減緩藥物消除。因其可以與角膜和結(jié)膜上皮中存在的帶負電的粘蛋白結(jié)合，并增加藥物在局部的接觸時間。與中性或陰離子制劑相比，陽離子納米載體顯示出改善藥物局部應(yīng)用藥理學(xué)效果的作用。在納米結(jié)構(gòu)中，包含黏膜的黏附聚合物也可產(chǎn)生類似的結(jié)果。

納米技術(shù)代表了治療干眼的一種有前景的策略，然而，迄今為止大部分納米材料都集中在局部遞送低分子量藥物上，而生物大分子的結(jié)合和遞送是一個尚待解決的挑戰(zhàn)。考慮納米材料的潛力，以向眼局部遞送復(fù)雜的生物大分子以進行新的治療干預(yù)，其與再生醫(yī)學(xué)和基因治療的結(jié)合，將成為納米材料的一個突破點。