新型納米材料在青光眼診療中的研究進展

盧彥霏 原慧萍

(哈爾濱醫科大學附屬第二醫院眼科 哈爾濱 150001)

青光眼是全球首位不可逆性致盲眼病，其主要病理特征為視神經損傷，常伴有眼壓(intraocular pressure，IOP)波動或持續升高。據估計，預計到2040 年，青光眼患者的數量將增加到1.12億[1]。目前，臨床上主要通過長期監測IOP、視神經結構和視野變化，應用降眼壓藥物、激光治療、手術治療等多種方式控制青光眼進展[2]。然而，目前持續監測IOP存在一定困難，長期反復眼部給藥引發患者無法耐受的藥物副作用以及術后濾過泡瘢痕化導致手術成功率低等，給青光眼的診斷和治療帶來困境，故而急需新的手段和技術解決上述問題。

納米材料是指三維空間尺度至少有一維處于納米量級(1～100 nm)的材料。目前，應用于眼部的納米材料主要包括納米顆粒、納米纖維、納米線、復合納米材料等。由于納米材料具有體積小、制備簡單、降解性好、靶向性強、對生物組織刺激小等優點，使其可以作為藥物的載體加以利用，改善藥物在眼部的吸收、分布、代謝和生物利用度，為眼科疾病的藥物輸送提供了一種創新實用的方法[3]。Reis等[4]利用納米顆粒裝載丁酸鈉外飾殼聚糖，用于治療濕性年齡相關性黃斑變性的脈絡膜新生血管表明，藥物可持續釋放35 d 并能夠有效抑制新生血管。López-Machado等[5]利用聚乳酸羥基乙酸共聚物包裹乳鐵蛋白治療眼部炎癥，該納米載藥系統展示出了優良的藥物釋放曲線與抗炎效果。此外，納米材料還可以通過提高檢測方法的特異性和準確性，作為眼科疾病早期診斷的輔助手段[3]。Lu等[6]利用硅納米線制成了一種新型生物傳感器，用于定量測量人類淚液中的基質金屬蛋白酶(MMP-9)，實時監測和診斷干眼。Cai等[7]利用聚乙烯胺包裹熒光素鈉合成一種智能的納米級熒光造影劑，使眼底熒光素血管成像的準確率顯著提高。近年來，納米材料在眼科領域的應用不斷推陳出新，并逐步應用于青光眼的診療。目前，已有多種新型納米材料用于制備IOP 監測角膜接觸鏡、藥物傳遞系統和眼內植入物，有望克服目前青光眼某些診療方面的局限性。

1 IOP監測角膜接觸鏡

IOP 升高和晝夜波動是目前公認的青光眼發生和發展的主要危險因素，所以24 h 監測IOP 對于青光眼的診斷、治療策略的制定及維持患者的視功能都有著重要的意義[8]。目前，臨床上多使用非接觸眼壓計對IOP 進行瞬時測量，很難實現24 h 持續監測。近年來，角膜接觸鏡由于具有可長期佩戴、操作簡便等特點被廣泛研究用于IOP 持續監測[9]。

傳統的角膜接觸鏡多由應變片和電極兩部分組成，用于制作應變片內生物傳感器的材料應具有高透明度、高可靠性、高靈活性和可拉伸性等特點[10]。而部分新型納米材料也可以滿足這一需求。Fan等[10]研發了一種以石墨烯和碳納米管制成的新型復合納米材料作為傳感層，以柔性聚二甲基硅氧烷和對二甲苯作為襯底的角膜接觸鏡。該裝置IOP 在9～34 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)變化范圍內具有良好的靈敏度和安全性，但有線電路以及透光度較低等缺點限制了該裝置的使用。在此基礎上，Kim等[11]研發了一種以高度透明的銀納米線作為壓力傳感器，同無線電路和一個超低功耗的專用集成電路芯片集合而成的角膜接觸鏡，該裝置可在滿足高穩定性和高靈敏度的同時具有90%的透光度，能夠持續有效地監測IOP。

雖然上述傳統角膜接觸鏡能夠在很大程度上滿足臨床需求，但其內的生物傳感器往往包含復雜的集成電路，而電子元件在眼內持續存在可能會造成眼部損傷[12]。因此，Ye等[13]制備了一種無須額外提供電源的新型彩色角膜接觸鏡，其感應層由SiO2納米顆粒自組裝制成。該裝置隨著IOP 波動可發生顏色改變，IOP 在0～30 mmHg 范圍有較高的穩定性。但體外研究表明，在鏡片內水分含量改變＜5%時沒有明顯的顏色改變，說明該裝置在監測IOP 微小波動時的靈敏度較低。

目前，可用于持續監測IOP 的角膜接觸鏡繁多，但監測數值上限多小于40 mmHg，難以滿足所有青光眼患者的需求。同時，由于存在眼部淚液和眨眼動作干擾，如何提高監測裝置的靈敏度和穩定性是目前仍需要解決的難題。

2 新型藥物傳遞系統

局部應用降眼壓藥物治療是青光眼主要的治療方式之一，但由于眼部存在多種生理屏障，滴眼液形式的藥物生物利用度常低于5%[14]。此外，由于青光眼的慢性病程，患者需要長期反復用藥，這會導致藥物副作用增加和患者依從度降低。所以，急需一種具備強滲透性和緩釋性的新型眼用藥物傳遞系統[15]。隨著納米載藥釋放系統應運而生，將藥物載入眼用納米級藥物傳遞系統中，可實現提高藥物眼內的溶解度、穩定性和滲透性的目標[16]。

2.1 納米載藥滴眼液

傳統的納米載藥釋放系統是由各種納米載體(如脂質體、納米顆粒、納米混懸劑、聚合物與樹突狀大分子等)運載降眼壓藥物制成的滴眼液[17]。相比于普通滴眼液，通過納米載體釋藥可顯著提高療效。Bessone等[18]利用立方脂質體運載拉坦前列素制備了一種滴眼液，最大降眼壓幅度為30%，并持續9 d，明顯優于商業制劑Louten(拉坦)(20%，持續24 h)。Schnichels等[19]利用新型DNA 納米顆粒載體運載溴莫尼定，用藥5 周后仍能使IOP 下降7.8 mmHg，而普通溴莫尼定滴眼液僅為0.6 mmHg。Wang等[20]利用新型納米級樹枝狀水凝膠顆粒運載馬來酸噻嗎洛爾，用藥后1 h 和24 h 分別平均使血管生成素1 基因敲除(angiopoietin 1 gene knockout，A1 cKO)青光眼模型小鼠IOP 下降3.35 mmHg 和4.32 mmHg，相比于普通馬來酸噻嗎洛爾滴眼液療效明顯提高(0.72 mmHg，1.85 mmHg)。以上研究表明，納米材料載藥型滴眼液具有很高的臨床應用價值。然而，局部應用滴眼液仍面臨藥物在角膜停留時間短以及滲透性差的問題。

2.2 環境敏感型原位水凝膠

水凝膠作為半固體制劑可以在一定程度上解決滴眼液在眼部停留時間過短的難題。近年來，一種新型藥物遞送系統—環境敏感型原位水凝膠，廣泛受到研究者們的關注。其在應用于眼表后受環境影響可迅速由液態轉變為半固態的黏性凝膠，黏附于眼表。根據影響因素不同可將其分為溫度敏感型、pH 敏感型、離子敏感型等多種類型[21]。目前，環境敏感型原位水凝膠被廣泛用于運載抗青光眼藥物，其中用于制作原位水凝膠的納米材料也從傳統的殼聚糖到近年來研發的多種新型納米材料不斷發展。Khallaf等[22]利用脂質體運載鹽酸法舒地爾制成一種熱敏原位水凝膠顯示，其平均降眼壓幅度為52.1%且最大降眼壓作用出現在用藥后6 h。相比于普通滴眼液藥效有明顯提高(38.6%，2 h)，并且展示出了良好的藥物緩釋效果。然而，有研究[23]發現脂質體中的脂質雙層結構易發生氧化降解，導致藥物的儲存穩定性較低。為解決這一問題，Allam等[24]利用非離子表面活性劑囊泡運載倍他洛爾制成一種PH 敏感型原位水凝膠。單次用藥后平均生物利用度以及在眼表停留時長分別是普通滴眼液的254.7%和5.9 倍，并且展示出了良好的藥物穩定性和生物安全性。

此外，Esteruelas等[25]制備了一種離子敏感型原位水凝膠，由聚乳酸羥基乙酸共聚物運載利魯唑(一種視神經保護劑)合成。給藥后可在24 h 內到達視網膜，并能在眼內停留48 h以上。

以上研究表明，利用多種新型納米材料作為藥物載體制備的環境敏感型原位水凝膠能夠明顯延長藥物作用時間，顯著提高療效。與眼膏和混懸滴眼液相比，原位水凝膠能夠有效降低視物模糊和眼部不適的發生率[26]。然而由于其制作材料較為復雜，仍需要更加完備的體內外實驗確保其在眼內的安全性。

2.3 載藥型角膜接觸鏡

角膜接觸鏡作為矯正視力的一種方式，在臨床得到廣泛應用。角膜接觸鏡與角膜之間存在一層淚膜。有研究[27]表明，從角膜接觸鏡中釋放的藥物在這層淚膜中的停留時間長達30 min 進而能夠將藥物的生物利用度提高至50%?？梢娸d藥型角膜接觸鏡(drug-eluting contact lenses，DECL)作為藥物遞送裝置的優異性及未來廣闊的臨床應用前景。最早開發的將藥物載入DECL 的方法是將其浸泡在普通藥物溶液中，但幾乎所有藥物都在1～3 h 內被釋放，且普遍存在突釋現象[28]。

隨后，多種技術被研發用于延長藥物釋放時間，如載藥膠體微粒、載藥納米顆粒、角膜接觸鏡內載藥植入物、超分子印跡技術及臨界流體技術等[28]。然而研究者們發現，隨著藥物釋放時間逐漸延長，DECL 的關鍵性質同樣也發生了改變(如膨脹度、光學透明度、氧滲透性以及抗拉強度等)，限制了其在臨床的應用[29]。為解決這一難題，Tian等[30]利用納米脂質載體運載噻嗎洛爾作為浸泡液制備了一種新型DECL 用于實驗結果顯示，經傳統方法和納米載體載藥浸泡后的DECL 分別使兔眼IOP 平均下降3.80 mmHg(持續48 h)和5.62 mmHg(持續96 h)，而普通滴眼液為4.08 mmHg 且僅持續6 h。更值得注意的是，載藥后DECL 的重要理化性質幾乎沒有發生改變。此外，金納米顆粒由于具有較高的穩定性和生物相容性展示出了良好的載藥性能[31]。Maulvi等[32]利用金納米顆粒運載噻嗎洛爾制備了一種新型DECL。該DECL 顯示出了較高的膨脹度和透光度。與傳統方法相比，利用金納米顆粒載藥可明顯提高DECL 的藥物攝取率和釋放量，延長藥物在眼內的停留時間。此后，為了提高DECL 對疏水性藥物比馬前列素的攝取率，Maulvi 團隊[33]再次研制了一種硅水凝膠DECL。在合成DECL 時，將新型納米材料石墨烯氧化物(graphene oxide，GO)加入其基質中，而后將其浸泡在比馬前列素溶液中。相比于傳統DECL，該新型DECL 的水潤度及透光度有明顯提高，并且顯示出了良好的藥物釋放曲線。

以上研究表明,DECL 作為一種新型眼部藥物傳遞系統具有廣闊的發展前景。然而，DECL 臨床應用過程中仍存在許多局限性，如藥物的穩定性較低、長期佩戴引起的干眼癥、角膜損傷和感染等[34]。此外，目前仍缺乏標準化的體外釋放模型對每種DECL 應用于眼部后的作用效果進行合理預測[35]。

2.4 電紡納米纖維

納米纖維是近年來快速發展的一種新型納米材料，由于其獨特的性能，如高表面積體積比、多孔結構、高機械強度、較好的靈活性及其與細胞外基質的相似性，因此被廣泛研究并應用于眼部藥物輸送領域[36]。利用靜電紡絲技術生產的電紡納米纖維可通過改變其內在結構，使其更加適用于眼部。電紡納米纖維在應用于眼表后能夠迅速適應角膜結構，且因其具有高度多孔結構能迅速溶解[37]，幾乎不影響患者視力，是較為理想的眼部藥物載體。此外，其作為固體給藥系統能夠克服普通滴眼液因藥物發生水解導致的長期儲存穩定性較低以及液體制劑用藥劑量難以精準把控等缺點[38]。目前，研究者們制備了多種可用于運載降眼壓藥物的電紡納米纖維。Lancina等[39]最先利用環氧乙烷和納米級聚乙二胺樹枝狀聚合物制成一種電紡納米纖維用于運載酒石酸溴莫尼定，實驗表明僅一次用藥后降眼壓效果與普通滴眼液相差不大；然而，持續用藥3 周的平均降眼壓效果明顯強于普通滴眼液。此后，為進一步優化納米纖維的載藥性能，研究者們將其與原位水凝膠技術相結合，制備了多種新型原位水凝膠電紡納米纖維。G?ttel等[40]利用結冷膠和普魯蘭多糖制備了一種原位水凝膠電紡納米纖維，通過3D 打印矩陣將其塑形成具有一定曲率的平面鏡以適應人眼角膜弧度。實驗數據顯示，單次應用熒光素鈉滴眼液后40 min，實驗組和對照組熒光信號強度分別為原始強度的90%和15%；多次滴眼后，對照組僅剩余2.5%，而實驗組仍有40%殘留。在此基礎上，Andreadis等[41]制備了一種新型原位水凝膠電紡納米纖維薄膜用于運載馬來酸噻嗎洛爾，植入兔眼后24 h 仍能使IOP 降低4 mmHg，并且能更早地起效(1 h)，明顯優于普通滴眼液(僅持續24 h，2 h 起效)。體內外試驗均證實其具有較高的角膜滲透率和生物相容性。以上研究表明，電紡納米纖維載藥是較為理想的新型眼用藥物傳遞系統。然而，較高的生產成本以及有限的生產技術是目前仍需解決的難題[42]。

3 新型納米材料植入物

引流物植入術是青光眼手術治療的主要方法之一，然而術后低眼壓及濾過泡瘢痕化等并發癥的發生導致手術治療效果不理想，很難達到有效降低眼壓的目的[43]。目前，研究者們利用新型納米材料尺寸小、可塑性強、生物相容性高等特性制備了多種眼內植入物來減少青光眼術后并發癥的發生。Parikh等[44]利用新型納米纖維聚對苯二甲酸乙二醇酯同時結合聚乙二醇制備了一種電紡中空壓力控制分流器，植入兔眼后可使其IOP 下降44%并持續27 d，同時能夠有效避免低IOP 的發生。雖然該引流物顯示出了良好的生物相容性以及降眼壓作用，但未能證實其具有抗瘢痕化作用。為了解決這一問題，Klapstova等[45]利用聚偏氟乙烯和聚氧化乙烯兩種新型納米纖維制備了一種電紡青光眼引流閥。經體外試驗證實，該引流閥能有效抑制成纖維細胞生長，體內植入效果有待進一步研究。此外，鄭玉強等[46]將眼部納米材料植入物與抗瘢痕藥物相結合，將負載曲安奈德的聚乳酸己內酯靜電紡絲膜在兔眼行穿透性小梁切除術中的同時植入其鞏膜瓣下。術后12 周可觀察到實驗組兔眼仍存在功能性濾過泡，濾過腔表面上皮化，而單純行小梁切除術組濾過腔消失，組織增生呈瘢痕化。Qiao等[47]將裝載肝素的光敏疊氮羥乙基殼聚糖水凝膠植入行青光眼濾過術后的兔眼鞏膜瓣下，結果顯示該植入物能夠有效維持濾過泡和正常眼壓超過4 周，并且沒有明顯的炎癥反應及其他副作用。但其抗瘢痕效果和作用機制有待進一步研究。在此基礎上，Zhang等[48]利用靜電紡絲技術制備了一種羅格列酮/聚(3-羥基丁酸酯和3-羥基戊酸酯)薄膜，將其植入兔眼結膜下。實驗數據表明，該載藥薄膜能夠有效抑制青光眼濾過術后傷口纖維化和瘢痕形成。并且相較于傳統的抗瘢痕藥物絲裂霉素C,該植入物具有更高的安全性和更優良的抗瘢痕效果。以上結果表明，新型納米材料植入物用于提高青光眼手術的成功率具有廣闊前景，然而目前相關研究仍較少，有待進一步探索。

4 結語

青光眼患病率逐年升高，重視和改進其診療方法是降低致盲率的有效途徑。以上研究數據表明，相較于傳統方法，納米材料用于青光眼疾病診療具有明顯優勢。然而其安全性評估仍需進一步完善。據報道，納米材料應用于眼部后可能會引發眼內炎癥反應以及各種納米毒性，如細胞毒性、基因毒性和神經毒性等[49]。因此，如何兼顧其高效性和安全性是目前仍需解決的問題。