新型纳米材料在青光眼诊疗中的研究进展

卢彦霏 原慧萍

(哈尔滨医科大学附属第二医院眼科 哈尔滨 150001)

青光眼是全球首位不可逆性致盲眼病，其主要病理特征为视神经损伤，常伴有眼压(intraocular pressure，IOP)波动或持续升高。据估计，预计到2040 年，青光眼患者的数量将增加到1.12亿[1]。目前，临床上主要通过长期监测IOP、视神经结构和视野变化，应用降眼压药物、激光治疗、手术治疗等多种方式控制青光眼进展[2]。然而，目前持续监测IOP存在一定困难，长期反复眼部给药引发患者无法耐受的药物副作用以及术后滤过泡瘢痕化导致手术成功率低等，给青光眼的诊断和治疗带来困境，故而急需新的手段和技术解决上述问题。

纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1～100 nm)的材料。目前，应用于眼部的纳米材料主要包括纳米颗粒、纳米纤维、纳米线、复合纳米材料等。由于纳米材料具有体积小、制备简单、降解性好、靶向性强、对生物组织刺激小等优点，使其可以作为药物的载体加以利用，改善药物在眼部的吸收、分布、代谢和生物利用度，为眼科疾病的药物输送提供了一种创新实用的方法[3]。Reis等[4]利用纳米颗粒装载丁酸钠外饰壳聚糖，用于治疗湿性年龄相关性黄斑变性的脉络膜新生血管表明，药物可持续释放35 d 并能够有效抑制新生血管。López-Machado等[5]利用聚乳酸羟基乙酸共聚物包裹乳铁蛋白治疗眼部炎症，该纳米载药系统展示出了优良的药物释放曲线与抗炎效果。此外，纳米材料还可以通过提高检测方法的特异性和准确性，作为眼科疾病早期诊断的辅助手段[3]。Lu等[6]利用硅纳米线制成了一种新型生物传感器，用于定量测量人类泪液中的基质金属蛋白酶(MMP-9)，实时监测和诊断干眼。Cai等[7]利用聚乙烯胺包裹荧光素钠合成一种智能的纳米级荧光造影剂，使眼底荧光素血管成像的准确率显著提高。近年来，纳米材料在眼科领域的应用不断推陈出新，并逐步应用于青光眼的诊疗。目前，已有多种新型纳米材料用于制备IOP 监测角膜接触镜、药物传递系统和眼内植入物，有望克服目前青光眼某些诊疗方面的局限性。

1 IOP监测角膜接触镜

IOP 升高和昼夜波动是目前公认的青光眼发生和发展的主要危险因素，所以24 h 监测IOP 对于青光眼的诊断、治疗策略的制定及维持患者的视功能都有着重要的意义[8]。目前，临床上多使用非接触眼压计对IOP 进行瞬时测量，很难实现24 h 持续监测。近年来，角膜接触镜由于具有可长期佩戴、操作简便等特点被广泛研究用于IOP 持续监测[9]。

传统的角膜接触镜多由应变片和电极两部分组成，用于制作应变片内生物传感器的材料应具有高透明度、高可靠性、高灵活性和可拉伸性等特点[10]。而部分新型纳米材料也可以满足这一需求。Fan等[10]研发了一种以石墨烯和碳纳米管制成的新型复合纳米材料作为传感层，以柔性聚二甲基硅氧烷和对二甲苯作为衬底的角膜接触镜。该装置IOP 在9～34 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)变化范围内具有良好的灵敏度和安全性，但有线电路以及透光度较低等缺点限制了该装置的使用。在此基础上，Kim等[11]研发了一种以高度透明的银纳米线作为压力传感器，同无线电路和一个超低功耗的专用集成电路芯片集合而成的角膜接触镜，该装置可在满足高稳定性和高灵敏度的同时具有90%的透光度，能够持续有效地监测IOP。

虽然上述传统角膜接触镜能够在很大程度上满足临床需求，但其内的生物传感器往往包含复杂的集成电路，而电子元件在眼内持续存在可能会造成眼部损伤[12]。因此，Ye等[13]制备了一种无须额外提供电源的新型彩色角膜接触镜，其感应层由SiO2纳米颗粒自组装制成。该装置随着IOP 波动可发生颜色改变，IOP 在0～30 mmHg 范围有较高的稳定性。但体外研究表明，在镜片内水分含量改变＜5%时没有明显的颜色改变，说明该装置在监测IOP 微小波动时的灵敏度较低。

目前，可用于持续监测IOP 的角膜接触镜繁多，但监测数值上限多小于40 mmHg，难以满足所有青光眼患者的需求。同时，由于存在眼部泪液和眨眼动作干扰，如何提高监测装置的灵敏度和稳定性是目前仍需要解决的难题。

2 新型药物传递系统

局部应用降眼压药物治疗是青光眼主要的治疗方式之一，但由于眼部存在多种生理屏障，滴眼液形式的药物生物利用度常低于5%[14]。此外，由于青光眼的慢性病程，患者需要长期反复用药，这会导致药物副作用增加和患者依从度降低。所以，急需一种具备强渗透性和缓释性的新型眼用药物传递系统[15]。随着纳米载药释放系统应运而生，将药物载入眼用纳米级药物传递系统中，可实现提高药物眼内的溶解度、稳定性和渗透性的目标[16]。

2.1 纳米载药滴眼液

传统的纳米载药释放系统是由各种纳米载体(如脂质体、纳米颗粒、纳米混悬剂、聚合物与树突状大分子等)运载降眼压药物制成的滴眼液[17]。相比于普通滴眼液，通过纳米载体释药可显著提高疗效。Bessone等[18]利用立方脂质体运载拉坦前列素制备了一种滴眼液，最大降眼压幅度为30%，并持续9 d，明显优于商业制剂Louten(拉坦)(20%，持续24 h)。Schnichels等[19]利用新型DNA 纳米颗粒载体运载溴莫尼定，用药5 周后仍能使IOP 下降7.8 mmHg，而普通溴莫尼定滴眼液仅为0.6 mmHg。Wang等[20]利用新型纳米级树枝状水凝胶颗粒运载马来酸噻吗洛尔，用药后1 h 和24 h 分别平均使血管生成素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，相比于普通马来酸噻吗洛尔滴眼液疗效明显提高(0.72 mmHg，1.85 mmHg)。以上研究表明，纳米材料载药型滴眼液具有很高的临床应用价值。然而，局部应用滴眼液仍面临药物在角膜停留时间短以及渗透性差的问题。

2.2 环境敏感型原位水凝胶

水凝胶作为半固体制剂可以在一定程度上解决滴眼液在眼部停留时间过短的难题。近年来，一种新型药物递送系统—环境敏感型原位水凝胶，广泛受到研究者们的关注。其在应用于眼表后受环境影响可迅速由液态转变为半固态的黏性凝胶，黏附于眼表。根据影响因素不同可将其分为温度敏感型、pH 敏感型、离子敏感型等多种类型[21]。目前，环境敏感型原位水凝胶被广泛用于运载抗青光眼药物，其中用于制作原位水凝胶的纳米材料也从传统的壳聚糖到近年来研发的多种新型纳米材料不断发展。Khallaf等[22]利用脂质体运载盐酸法舒地尔制成一种热敏原位水凝胶显示，其平均降眼压幅度为52.1%且最大降眼压作用出现在用药后6 h。相比于普通滴眼液药效有明显提高(38.6%，2 h)，并且展示出了良好的药物缓释效果。然而，有研究[23]发现脂质体中的脂质双层结构易发生氧化降解，导致药物的储存稳定性较低。为解决这一问题，Allam等[24]利用非离子表面活性剂囊泡运载倍他洛尔制成一种PH 敏感型原位水凝胶。单次用药后平均生物利用度以及在眼表停留时长分别是普通滴眼液的254.7%和5.9 倍，并且展示出了良好的药物稳定性和生物安全性。

此外，Esteruelas等[25]制备了一种离子敏感型原位水凝胶，由聚乳酸羟基乙酸共聚物运载利鲁唑(一种视神经保护剂)合成。给药后可在24 h 内到达视网膜，并能在眼内停留48 h以上。

以上研究表明，利用多种新型纳米材料作为药物载体制备的环境敏感型原位水凝胶能够明显延长药物作用时间，显著提高疗效。与眼膏和混悬滴眼液相比，原位水凝胶能够有效降低视物模糊和眼部不适的发生率[26]。然而由于其制作材料较为复杂，仍需要更加完备的体内外实验确保其在眼内的安全性。

2.3 载药型角膜接触镜

角膜接触镜作为矫正视力的一种方式，在临床得到广泛应用。角膜接触镜与角膜之间存在一层泪膜。有研究[27]表明，从角膜接触镜中释放的药物在这层泪膜中的停留时间长达30 min 进而能够将药物的生物利用度提高至50%。可见载药型角膜接触镜(drug-eluting contact lenses，DECL)作为药物递送装置的优异性及未来广阔的临床应用前景。最早开发的将药物载入DECL 的方法是将其浸泡在普通药物溶液中，但几乎所有药物都在1～3 h 内被释放，且普遍存在突释现象[28]。

随后，多种技术被研发用于延长药物释放时间，如载药胶体微粒、载药纳米颗粒、角膜接触镜内载药植入物、超分子印迹技术及临界流体技术等[28]。然而研究者们发现，随着药物释放时间逐渐延长，DECL 的关键性质同样也发生了改变(如膨胀度、光学透明度、氧渗透性以及抗拉强度等)，限制了其在临床的应用[29]。为解决这一难题，Tian等[30]利用纳米脂质载体运载噻吗洛尔作为浸泡液制备了一种新型DECL 用于实验结果显示，经传统方法和纳米载体载药浸泡后的DECL 分别使兔眼IOP 平均下降3.80 mmHg(持续48 h)和5.62 mmHg(持续96 h)，而普通滴眼液为4.08 mmHg 且仅持续6 h。更值得注意的是，载药后DECL 的重要理化性质几乎没有发生改变。此外，金纳米颗粒由于具有较高的稳定性和生物相容性展示出了良好的载药性能[31]。Maulvi等[32]利用金纳米颗粒运载噻吗洛尔制备了一种新型DECL。该DECL 显示出了较高的膨胀度和透光度。与传统方法相比，利用金纳米颗粒载药可明显提高DECL 的药物摄取率和释放量，延长药物在眼内的停留时间。此后，为了提高DECL 对疏水性药物比马前列素的摄取率，Maulvi 团队[33]再次研制了一种硅水凝胶DECL。在合成DECL 时，将新型纳米材料石墨烯氧化物(graphene oxide，GO)加入其基质中，而后将其浸泡在比马前列素溶液中。相比于传统DECL，该新型DECL 的水润度及透光度有明显提高，并且显示出了良好的药物释放曲线。

以上研究表明,DECL 作为一种新型眼部药物传递系统具有广阔的发展前景。然而，DECL 临床应用过程中仍存在许多局限性，如药物的稳定性较低、长期佩戴引起的干眼症、角膜损伤和感染等[34]。此外，目前仍缺乏标准化的体外释放模型对每种DECL 应用于眼部后的作用效果进行合理预测[35]。

2.4 电纺纳米纤维

纳米纤维是近年来快速发展的一种新型纳米材料，由于其独特的性能，如高表面积体积比、多孔结构、高机械强度、较好的灵活性及其与细胞外基质的相似性，因此被广泛研究并应用于眼部药物输送领域[36]。利用静电纺丝技术生产的电纺纳米纤维可通过改变其内在结构，使其更加适用于眼部。电纺纳米纤维在应用于眼表后能够迅速适应角膜结构，且因其具有高度多孔结构能迅速溶解[37]，几乎不影响患者视力，是较为理想的眼部药物载体。此外，其作为固体给药系统能够克服普通滴眼液因药物发生水解导致的长期储存稳定性较低以及液体制剂用药剂量难以精准把控等缺点[38]。目前，研究者们制备了多种可用于运载降眼压药物的电纺纳米纤维。Lancina等[39]最先利用环氧乙烷和纳米级聚乙二胺树枝状聚合物制成一种电纺纳米纤维用于运载酒石酸溴莫尼定，实验表明仅一次用药后降眼压效果与普通滴眼液相差不大；然而，持续用药3 周的平均降眼压效果明显强于普通滴眼液。此后，为进一步优化纳米纤维的载药性能，研究者们将其与原位水凝胶技术相结合，制备了多种新型原位水凝胶电纺纳米纤维。Göttel等[40]利用结冷胶和普鲁兰多糖制备了一种原位水凝胶电纺纳米纤维，通过3D 打印矩阵将其塑形成具有一定曲率的平面镜以适应人眼角膜弧度。实验数据显示，单次应用荧光素钠滴眼液后40 min，实验组和对照组荧光信号强度分别为原始强度的90%和15%；多次滴眼后，对照组仅剩余2.5%，而实验组仍有40%残留。在此基础上，Andreadis等[41]制备了一种新型原位水凝胶电纺纳米纤维薄膜用于运载马来酸噻吗洛尔，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)，明显优于普通滴眼液(仅持续24 h，2 h 起效)。体内外试验均证实其具有较高的角膜渗透率和生物相容性。以上研究表明，电纺纳米纤维载药是较为理想的新型眼用药物传递系统。然而，较高的生产成本以及有限的生产技术是目前仍需解决的难题[42]。

3 新型纳米材料植入物

引流物植入术是青光眼手术治疗的主要方法之一，然而术后低眼压及滤过泡瘢痕化等并发症的发生导致手术治疗效果不理想，很难达到有效降低眼压的目的[43]。目前，研究者们利用新型纳米材料尺寸小、可塑性强、生物相容性高等特性制备了多种眼内植入物来减少青光眼术后并发症的发生。Parikh等[44]利用新型纳米纤维聚对苯二甲酸乙二醇酯同时结合聚乙二醇制备了一种电纺中空压力控制分流器，植入兔眼后可使其IOP 下降44%并持续27 d，同时能够有效避免低IOP 的发生。虽然该引流物显示出了良好的生物相容性以及降眼压作用，但未能证实其具有抗瘢痕化作用。为了解决这一问题，Klapstova等[45]利用聚偏氟乙烯和聚氧化乙烯两种新型纳米纤维制备了一种电纺青光眼引流阀。经体外试验证实，该引流阀能有效抑制成纤维细胞生长，体内植入效果有待进一步研究。此外，郑玉强等[46]将眼部纳米材料植入物与抗瘢痕药物相结合，将负载曲安奈德的聚乳酸己内酯静电纺丝膜在兔眼行穿透性小梁切除术中的同时植入其巩膜瓣下。术后12 周可观察到实验组兔眼仍存在功能性滤过泡，滤过腔表面上皮化，而单纯行小梁切除术组滤过腔消失，组织增生呈瘢痕化。Qiao等[47]将装载肝素的光敏叠氮羟乙基壳聚糖水凝胶植入行青光眼滤过术后的兔眼巩膜瓣下，结果显示该植入物能够有效维持滤过泡和正常眼压超过4 周，并且没有明显的炎症反应及其他副作用。但其抗瘢痕效果和作用机制有待进一步研究。在此基础上，Zhang等[48]利用静电纺丝技术制备了一种罗格列酮/聚(3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯)薄膜，将其植入兔眼结膜下。实验数据表明，该载药薄膜能够有效抑制青光眼滤过术后伤口纤维化和瘢痕形成。并且相较于传统的抗瘢痕药物丝裂霉素C,该植入物具有更高的安全性和更优良的抗瘢痕效果。以上结果表明，新型纳米材料植入物用于提高青光眼手术的成功率具有广阔前景，然而目前相关研究仍较少，有待进一步探索。

4 结语

青光眼患病率逐年升高，重视和改进其诊疗方法是降低致盲率的有效途径。以上研究数据表明，相较于传统方法，纳米材料用于青光眼疾病诊疗具有明显优势。然而其安全性评估仍需进一步完善。据报道，纳米材料应用于眼部后可能会引发眼内炎症反应以及各种纳米毒性，如细胞毒性、基因毒性和神经毒性等[49]。因此，如何兼顾其高效性和安全性是目前仍需解决的问题。