可注射水凝胶治疗眼科疾病的研究进展△

王钰池 纪力旸 王静 张劲松

眼部疾病发展到一定阶段可能会威胁视力，如白内障、青光眼、年龄相关性黄斑变性及视网膜脱离等。然而，由于眼部结构的复杂性，使其治疗面临着很多挑战，除了手术之外，常规的给药方式(如滴眼液、眼膏等)难以达到理想的治疗效果，而不规范或不及时的治疗往往会拖延病情，导致不可逆的视力损害，因此迫切需要更有效的治疗方式。水凝胶作为一种多尺度发展的材料，富含大量水分，兼容性良好，其性质透明、安全、性能可控，且可注射水凝胶在手术过程中易操作，因此在眼科疾病的治疗中有广阔的研究前景[1]。

1 水凝胶的制作方法、性能及应用

水凝胶由多种天然聚合物、合成聚合物、重组蛋白质或肽制备，在细胞、生物制剂和组织中进行交联，形成结构完整的富含水的亲水性3D聚合物网络[2]。在温和的条件下可进行液体和凝胶之间的转换。可注射水凝胶正是通过微创的方法将其前体物质注射到体内，原位交联后形成水凝胶[3]。

1.1 水凝胶的制作方法制备水凝胶的材料包括由组织或其他天然来源衍生的天然聚合物和使用有机化学和分子工程学原理制造的合成聚合物[3]。天然聚合物来源的水凝胶，如多糖类(壳聚糖[4]、水杨酸[5]、藻酸盐)、蛋白质类(明胶[6]、肝素[7]等)，有良好的生物兼容性、低毒性和低免疫反应，可在体内进行降解。但其机械性能较弱，对组织有潜在的免疫原性[3]。合成聚合物来源的水凝胶通常有可控的降解速率、机械强度和微观结构，可根据需要的性能及目的不同进行重复生产[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-异丙基丙烯酰胺等[11]。在此基础上，根据实际应用中的目的及要求将水凝胶进行改性，改性方法包括化学接枝、物理共混、与其他物质复合等，由此产生的水凝胶更加符合所需用途[4,12]。

根据水凝胶的胶化机制，可分为化学交联反应和物理交联反应[11]。物理交联反应指物理化学参数变化，如温度、pH值、离子强度、光照、溶剂浓度或机械作用力[6,13]，刺激聚合物的构象变化，使聚合物链聚合形成交联的网络。化学交联反应最常见的反应包括迈克尔加成反应、席夫碱形成反应、Click化学反应、原位酶链反应[14]等。

1.2 水凝胶的性能水凝胶的性能如下：(1)物理性能，如弹性、黏弹性、压缩性、降解率等；(2)转运物质性能，组织工程中用作支架材料通常伴随着运输气体、营养物质、细胞、代谢产物的功能，运输分子的速率及距离与水凝胶成分、分子的成分以及它们之间的反应相关。如葡萄糖、氧气等，能够自由在海藻酸盐微球之间扩散[8]；扩散距离越大就需要其他刺激因子协同作用，如壳聚糖中加入胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)，能够提升人胰岛素来源的间充质干细胞移植后的存活力[15]；(3)生物性能，水凝胶的生物性能是让细胞与组织黏附、生长和增生，比如整合了胶原样肽(collagen-like peptide,CLP)的胶原可用于培养角膜缘上皮干细胞[16]。IGF-1C耦联到壳聚糖上，修饰后的水凝胶能够提供胚胎间充质干细胞良好的生长环境，也能促进细胞黏附，使移植到组织的人骨髓间充质干细胞存活力提高，具备治疗潜能[17]。

1.3 水凝胶的应用水凝胶有多种性能，可为组织工程提供支架，可作为药物、基因或细胞的载体指导组织形成所需的三维结构；作为黏着剂黏附到组织表面，在组织和材料表面构建屏障[14]；用作空间填充剂；作为细胞生长的支架，对细胞进行包封，如胰岛细胞、肝细胞、肾上腺素皮质细胞、转染表达特异性酶或生长因子的细胞，从而使细胞在组织内分泌目的分子(酶和荷尔蒙等)。原位形成可注射水凝胶还可用于多种组织的再生，包括骨骼、软骨、椎间盘、脂肪、心脏和血管组织[17-18]。最近报道了利用水凝胶3D打印包含血管和呼吸道的肺脏模型，实现了血液的氧合[19]。

2 可注射水凝胶在眼科的设计标准和挑战

设计水凝胶时根据用途决定设计标准,在眼科的应用包括眼科药物载体、创口黏着剂、玻璃体替代物和细胞支架等，所有的应用材料均应保持无菌、无毒、有良好的生物兼容性[11]。作为药物载体时，为了保证药物活性分子的有效性和稳定性，需要考虑载入药物的方式、药物的剂量、聚合物浓度、交联密度及降解速率等。此外，为了保证药物等活性因子的稳定性，设计水凝胶时其应用环境的温度、pH值、酶等也需考虑[20-21]。原位交联水凝胶作为玻璃体替代物时，至少应满足以下要求[22]：良好的透光率；与天然玻璃体有相同的黏弹性，维持眼球形状及支撑视网膜；易操作。设计出符合要求的水凝胶后，需在体外体内反复验证其安全性及有效性，尽管水凝胶有很大的设计优势，然而现在应用的材料没有达到大多数设计参数要求，水凝胶的设计面临着很多挑战。

3 可注射水凝胶在眼科的应用及未来趋势

3.1 眼科药物/活性因子载体对于一些眼部疾病，如白内障、青光眼、糖尿病性视网膜变性、老年性黄斑变性、葡萄膜炎等均会导致严重的视力损伤和视力丢失，可用药物进行治疗或改善症状[23-24]。眼部结构的特殊性增加了局部给药的难度[25]，在眼表给药时，由于角膜-房水屏障、泪液引流及生理性眨眼等，使药物清除率过高。眼周注射或玻璃体内注射提高了药物的吸收率，但也伴随着眼压升高、眼内炎和眼内出血等并发症，且重复给药降低了患者依从性[26]。因此应用水凝胶作为药物载体进行局部给药能够延长药物缓释时间，并且易被患者接受[27]。目前批准上市应用于眼部的水凝胶有Carbomer®[28]，热敏的Pluronic®F-127、Pluronic®F-68[29]等。眼表擦伤、挫伤或经角膜切口手术之后，不及时治疗会导致严重的角膜变形、角膜穿孔及不可逆性失明。以PEG-PCL-PEG共聚物制成的热敏水凝胶携带抗新生血管生成药物贝伐珠单抗，在低温下与药物混合，使用到眼表的同时升温到体温，经历液相-水胶相的转变，在兔眼模型中，与没有水凝胶作为载体相比，新生血管区域明显减少[30]。近年美国食品与药品管理局批准上市了一种泪管内植入的地塞米松洗脱水凝胶，商品名为DEXTENZATM。水凝胶的构成部分是PEG，在前期临床实验中，随着PEG的降解，地塞米松在28 d内缓慢释放，并且没有毒性反应，可替代白内障患者术后给药[31]。青光眼是由于房水产生和引流失衡所导致的眼压增高，常用的眼表给药方式生物利用度较低，而结膜下注药容易过量且残留时间较短。有研究利用了热敏的壳聚糖-明胶所制成的水凝胶，载入含有姜黄素负载的纳米颗粒和拉坦前列腺素作为双向药物载体治疗青光眼[32]。利用环糊精(α-CD)和低相对分子质量的四臂PEG所形成的水凝胶(α-CD/4-PEG)有触变行为，当受到剪切应力后呈现液相-胶相的转变[33]。一些引起不可逆视力损伤的视网膜疾病，如老年性黄斑变性、视网膜色素变性和视网膜退行性变等，常用皮质醇、抗血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)等控制眼底新生血管[25]。对于视网膜退行性病变，可用睫状神经营养因子(ciliary neurotrophic factor,CNTF)经玻璃体内注射进行治疗，研究设计了一种水杨酸和甲基纤维素的热敏水凝胶，携带与CNTF亲和的SH3结构域，能够缓释CNTF，在小鼠玻璃体内注射载有CNTF-SH3的水凝胶后，释放的CNTF稳定且有生物活性[21]。对于真菌性角膜炎，有研究利用明胶水凝胶传递角膜特异性穿透肽，提高其生物利用度[20]。席夫碱交联的多聚糖水凝胶载有伏立康唑，注射到玻璃体内可治疗真菌性眼内炎[34]。携带有糖基化的曲安奈德热敏水凝胶，与传统的玻璃体内注射曲安奈德相比更能控制葡萄膜炎的发展[35]。

3.2 创口黏着剂眼部的手术或外伤后，常规的处理办法是丝线缝合，但对于角膜来说有感染、混浊、穿孔的风险[36]。目前治疗角膜创伤方法还包括羊膜绷带[37]、绷带隐形眼镜[38]和胶原蛋白保护盾[39]等。美国食品与药品监督管理局批准上市了一种PEG为材料制成的水凝胶，商品名为ReSure®，在经角膜切口术后应用到角膜，可减少缝合造成的角膜散光[40]。有研究设计了一种可注射的热敏密封胶，用来封闭眼球表面开放性外伤[41]。这种智能水凝胶是由N-异丙基丙基酰胺与丁基丙基丙烯酸酯共聚形成，升温到体温所形成，暴露在冷水之后可移出眼睛，不造成附加伤害。在体外实验和动物实验中，均证实了热敏密封胶的安全性、有效性及形状适应性，其具有作为智能创面密封剂的潜能。对于裂孔性视网膜脱离，当前可采用激光治疗和玻璃体切除结合巩膜扣带术进行治疗，但伴随着很多并发症，最常见增生性玻璃体视网膜病变[42]。于是研究者设想出用有黏性的柔软的玻片封闭视网膜裂孔，防止玻璃血清进入视网膜间隙造成更严重的视网膜脱落。Hoshi等[43]设计出了一种光交联的PEG聚合物水凝胶，在兔眼实验中，这种材料能够有效的封闭视网膜裂孔，并在随后的6个月中视网膜一直保持附着状态，不需要术后注入气体进行填压，材料无毒性和无明显炎症反应，提示了未来投入临床使用的可能性。

3.3 玻璃体替代物在玻璃体视网膜疾病中，玻璃体切割术切除混浊的玻璃体或玻璃体视网膜牵拉，恢复透明的屈光间质并使视网膜复位。玻璃体切割术后需要在玻璃体内填充玻璃体替代物，维持眼球形状，使视网膜复位。当前使用的玻璃体替代物有BSS、惰性气体以及硅油等，但BSS及气体填充时间短，而硅油填充容易乳化，且伴随着术后取油的负担。目前国内上市了一种折叠式人工玻璃体球囊(foldable capsular vitreous body,FCVB)，由医用硅胶材料制成，术中在球囊内注入PVA水凝胶，能够长期稳定地放置在眼内，可应用于严重的视网膜脱离[9]。天然聚合物来源的水凝胶，如水杨酸[44-45]、胶原[46]、壳聚糖[47]等，兼容性良好，有作为玻璃体替代物的潜力，但由于各材料容易降解、黏度低，因而填塞效果较差，只适合作为短期的填塞。改性后制成的水凝胶，如胶原蛋白和聚(甲基丙烯酰胺-共聚-甲基丙烯酸酯)[Poly(MAM-co-MA)]复合物构成的仿生玻璃体，注入玻璃体内后，在体温下凝胶，膨胀了的水凝胶能在体外环境中保持4周不降解，但需进一步通过体内试验证实其有效性[48]。合成聚合物制成的水凝胶，如Bio-Alcamid®商品是一种聚脘基胺水凝胶，在玻璃体替代物的体内和体外实验中，对视网膜的功能和形态均有严重的不良反应[49-50]。有研究报道了一种以PEG制成的超低分子聚合物，能在10 min内快速形成水凝胶，有着极低的膨胀率，能长时间填充在眼内，注入了兔眼玻璃体内后1年内无明显不良反应，或许可成为未来玻璃体替代物[51]。近年来，有研究发现了一种超吸水的高分子聚合物水凝胶，其力学模量、透光率、折射率和稳定性等参数与天然玻璃体类似，注入兔眼16周后，对眼周围软组织没有明显影响[52]。

3.4 携带细胞/作为支撑细胞的支架材料细胞包封治疗(encapsulated-cell therapy,ECT)是基于细胞治疗的一种传递方式，可以移植细胞进行组织的替代，也可以利用细胞进行持续的药物输送，在糖尿病及一些中枢神经系统紊乱疾病中研究较多[53]。在眼科的治疗中，近年来报道了一种藻酸盐-胶原复合物水凝胶作为基质构建的ECT平台[54]。其中藻酸盐具有良好的细胞固定能力和可调节的机械性能，而胶原作为一种细胞外基质，能促进细胞黏附、存活和增殖，藻酸盐-胶原复合物规避了各自缺点，有很好的机械性能[55]。包封的细胞能持续释放胶质细胞源性的神经营养因子(glial-cell derived neuroreophic factor,GDNF)，这个研究的亮点在于只需口服多西环素就能控制药物释放的终点，避免GDNF过量引起的安全问题。对遗传性视网膜变性大鼠长期使用藻酸盐-胶原复合物构建的模型，视网膜结构和功能均得到了改善，置入6个月后仍能有效支持细胞生存，该平台或许可作为未来眼底病治疗的一种方式。

水凝胶可提供细胞合适的微环境，促进细胞黏附、增生和分化，广泛应用于再生医学[56]。 研究发现，一种可注射的热敏羧甲基已基壳聚糖(carboxymethyl-hexanoyl chitosan,CHC)水凝胶作为诱导多功能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)的支架，能够使干细胞增殖和分化。iPSC/CHC水凝胶还能降低氧化应激反应，招募内源性角膜上皮细胞恢复角膜上皮的厚度，由此促进受损角膜的重建[57]。当前没有治愈治疗视网膜退行性病变的办法，为了促进胚胎干细胞、iPSCs的生长，利用可注射的藻酸钙制成的水凝胶作为支架，能维持细胞存活45 d，视网膜色素上皮和视网膜神经节细胞的标记物在其中表达上调[58]。

4 结论

综上所述，根据疾病治疗的需求不同，在眼科药物传递、细胞传输、修补创口及组织填充等方面，设计出不同作用效果的水凝胶，天然聚合物来源的水凝胶生物兼容性良好，但性能不可控，会造成不稳定的胶化过程及难以控制的降解速率。改性后的水凝胶满足多种需求，更有研究潜力。可注射水凝胶由于是原位交联，更应该控制好胶化时间，避免注射过程中的剪切应力对水凝胶的性能造成影响。尽管有一部分可注射水凝胶已被批准上市，但大多数研究其作为携带药物的载体，少部分作为创口修补，更多的研究应该致力于玻璃体替代物及干细胞治疗方面。