王鈺池 紀力旸 王靜 張勁松

眼部疾病發(fā)展到一定階段可能會威脅視力，如白內(nèi)障、青光眼、年齡相關性黃斑變性及視網(wǎng)膜脫離等。然而，由于眼部結構的復雜性，使其治療面臨著很多挑戰(zhàn)，除了手術之外，常規(guī)的給藥方式(如滴眼液、眼膏等)難以達到理想的治療效果，而不規(guī)范或不及時的治療往往會拖延病情，導致不可逆的視力損害，因此迫切需要更有效的治療方式。水凝膠作為一種多尺度發(fā)展的材料，富含大量水分，兼容性良好，其性質透明、安全、性能可控，且可注射水凝膠在手術過程中易操作，因此在眼科疾病的治療中有廣闊的研究前景[1]。

1 水凝膠的制作方法、性能及應用

水凝膠由多種天然聚合物、合成聚合物、重組蛋白質或肽制備，在細胞、生物制劑和組織中進行交聯(lián)，形成結構完整的富含水的親水性3D聚合物網(wǎng)絡[2]。在溫和的條件下可進行液體和凝膠之間的轉換?？勺⑸渌z正是通過微創(chuàng)的方法將其前體物質注射到體內(nèi)，原位交聯(lián)后形成水凝膠[3]。

1.1 水凝膠的制作方法制備水凝膠的材料包括由組織或其他天然來源衍生的天然聚合物和使用有機化學和分子工程學原理制造的合成聚合物[3]。天然聚合物來源的水凝膠，如多糖類(殼聚糖[4]、水楊酸[5]、藻酸鹽)、蛋白質類(明膠[6]、肝素[7]等)，有良好的生物兼容性、低毒性和低免疫反應，可在體內(nèi)進行降解。但其機械性能較弱，對組織有潛在的免疫原性[3]。合成聚合物來源的水凝膠通常有可控的降解速率、機械強度和微觀結構，可根據(jù)需要的性能及目的不同進行重復生產(chǎn)[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-異丙基丙烯酰胺等[11]。在此基礎上，根據(jù)實際應用中的目的及要求將水凝膠進行改性，改性方法包括化學接枝、物理共混、與其他物質復合等，由此產(chǎn)生的水凝膠更加符合所需用途[4,12]。

根據(jù)水凝膠的膠化機制，可分為化學交聯(lián)反應和物理交聯(lián)反應[11]。物理交聯(lián)反應指物理化學參數(shù)變化，如溫度、pH值、離子強度、光照、溶劑濃度或機械作用力[6,13]，刺激聚合物的構象變化，使聚合物鏈聚合形成交聯(lián)的網(wǎng)絡?；瘜W交聯(lián)反應最常見的反應包括邁克爾加成反應、席夫堿形成反應、Click化學反應、原位酶鏈反應[14]等。

1.2 水凝膠的性能水凝膠的性能如下：(1)物理性能，如彈性、黏彈性、壓縮性、降解率等；(2)轉運物質性能，組織工程中用作支架材料通常伴隨著運輸氣體、營養(yǎng)物質、細胞、代謝產(chǎn)物的功能，運輸分子的速率及距離與水凝膠成分、分子的成分以及它們之間的反應相關。如葡萄糖、氧氣等，能夠自由在海藻酸鹽微球之間擴散[8]；擴散距離越大就需要其他刺激因子協(xié)同作用，如殼聚糖中加入胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)，能夠提升人胰島素來源的間充質干細胞移植后的存活力[15]；(3)生物性能，水凝膠的生物性能是讓細胞與組織黏附、生長和增生，比如整合了膠原樣肽(collagen-like peptide,CLP)的膠原可用于培養(yǎng)角膜緣上皮干細胞[16]。IGF-1C耦聯(lián)到殼聚糖上，修飾后的水凝膠能夠提供胚胎間充質干細胞良好的生長環(huán)境，也能促進細胞黏附，使移植到組織的人骨髓間充質干細胞存活力提高，具備治療潛能[17]。

1.3 水凝膠的應用水凝膠有多種性能，可為組織工程提供支架，可作為藥物、基因或細胞的載體指導組織形成所需的三維結構；作為黏著劑黏附到組織表面，在組織和材料表面構建屏障[14]；用作空間填充劑；作為細胞生長的支架，對細胞進行包封，如胰島細胞、肝細胞、腎上腺素皮質細胞、轉染表達特異性酶或生長因子的細胞，從而使細胞在組織內(nèi)分泌目的分子(酶和荷爾蒙等)。原位形成可注射水凝膠還可用于多種組織的再生，包括骨骼、軟骨、椎間盤、脂肪、心臟和血管組織[17-18]。最近報道了利用水凝膠3D打印包含血管和呼吸道的肺臟模型，實現(xiàn)了血液的氧合[19]。

2 可注射水凝膠在眼科的設計標準和挑戰(zhàn)

設計水凝膠時根據(jù)用途決定設計標準,在眼科的應用包括眼科藥物載體、創(chuàng)口黏著劑、玻璃體替代物和細胞支架等，所有的應用材料均應保持無菌、無毒、有良好的生物兼容性[11]。作為藥物載體時，為了保證藥物活性分子的有效性和穩(wěn)定性，需要考慮載入藥物的方式、藥物的劑量、聚合物濃度、交聯(lián)密度及降解速率等。此外，為了保證藥物等活性因子的穩(wěn)定性，設計水凝膠時其應用環(huán)境的溫度、pH值、酶等也需考慮[20-21]。原位交聯(lián)水凝膠作為玻璃體替代物時，至少應滿足以下要求[22]：良好的透光率；與天然玻璃體有相同的黏彈性，維持眼球形狀及支撐視網(wǎng)膜；易操作。設計出符合要求的水凝膠后，需在體外體內(nèi)反復驗證其安全性及有效性，盡管水凝膠有很大的設計優(yōu)勢，然而現(xiàn)在應用的材料沒有達到大多數(shù)設計參數(shù)要求，水凝膠的設計面臨著很多挑戰(zhàn)。

3 可注射水凝膠在眼科的應用及未來趨勢

3.1 眼科藥物/活性因子載體對于一些眼部疾病，如白內(nèi)障、青光眼、糖尿病性視網(wǎng)膜變性、老年性黃斑變性、葡萄膜炎等均會導致嚴重的視力損傷和視力丟失，可用藥物進行治療或改善癥狀[23-24]。眼部結構的特殊性增加了局部給藥的難度[25]，在眼表給藥時，由于角膜-房水屏障、淚液引流及生理性眨眼等，使藥物清除率過高。眼周注射或玻璃體內(nèi)注射提高了藥物的吸收率，但也伴隨著眼壓升高、眼內(nèi)炎和眼內(nèi)出血等并發(fā)癥，且重復給藥降低了患者依從性[26]。因此應用水凝膠作為藥物載體進行局部給藥能夠延長藥物緩釋時間，并且易被患者接受[27]。目前批準上市應用于眼部的水凝膠有Carbomer?[28]，熱敏的Pluronic?F-127、Pluronic?F-68[29]等。眼表擦傷、挫傷或經(jīng)角膜切口手術之后，不及時治療會導致嚴重的角膜變形、角膜穿孔及不可逆性失明。以PEG-PCL-PEG共聚物制成的熱敏水凝膠攜帶抗新生血管生成藥物貝伐珠單抗，在低溫下與藥物混合，使用到眼表的同時升溫到體溫，經(jīng)歷液相-水膠相的轉變，在兔眼模型中，與沒有水凝膠作為載體相比，新生血管區(qū)域明顯減少[30]。近年美國食品與藥品管理局批準上市了一種淚管內(nèi)植入的地塞米松洗脫水凝膠，商品名為DEXTENZATM。水凝膠的構成部分是PEG，在前期臨床實驗中，隨著PEG的降解，地塞米松在28 d內(nèi)緩慢釋放，并且沒有毒性反應，可替代白內(nèi)障患者術后給藥[31]。青光眼是由于房水產(chǎn)生和引流失衡所導致的眼壓增高，常用的眼表給藥方式生物利用度較低，而結膜下注藥容易過量且殘留時間較短。有研究利用了熱敏的殼聚糖-明膠所制成的水凝膠，載入含有姜黃素負載的納米顆粒和拉坦前列腺素作為雙向藥物載體治療青光眼[32]。利用環(huán)糊精(α-CD)和低相對分子質量的四臂PEG所形成的水凝膠(α-CD/4-PEG)有觸變行為，當受到剪切應力后呈現(xiàn)液相-膠相的轉變[33]。一些引起不可逆視力損傷的視網(wǎng)膜疾病，如老年性黃斑變性、視網(wǎng)膜色素變性和視網(wǎng)膜退行性變等，常用皮質醇、抗血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)等控制眼底新生血管[25]。對于視網(wǎng)膜退行性病變，可用睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子(ciliary neurotrophic factor,CNTF)經(jīng)玻璃體內(nèi)注射進行治療，研究設計了一種水楊酸和甲基纖維素的熱敏水凝膠，攜帶與CNTF親和的SH3結構域，能夠緩釋CNTF，在小鼠玻璃體內(nèi)注射載有CNTF-SH3的水凝膠后，釋放的CNTF穩(wěn)定且有生物活性[21]。對于真菌性角膜炎，有研究利用明膠水凝膠傳遞角膜特異性穿透肽，提高其生物利用度[20]。席夫堿交聯(lián)的多聚糖水凝膠載有伏立康唑，注射到玻璃體內(nèi)可治療真菌性眼內(nèi)炎[34]。攜帶有糖基化的曲安奈德熱敏水凝膠，與傳統(tǒng)的玻璃體內(nèi)注射曲安奈德相比更能控制葡萄膜炎的發(fā)展[35]。

3.2 創(chuàng)口黏著劑眼部的手術或外傷后，常規(guī)的處理辦法是絲線縫合，但對于角膜來說有感染、混濁、穿孔的風險[36]。目前治療角膜創(chuàng)傷方法還包括羊膜繃帶[37]、繃帶隱形眼鏡[38]和膠原蛋白保護盾[39]等。美國食品與藥品監(jiān)督管理局批準上市了一種PEG為材料制成的水凝膠，商品名為ReSure?，在經(jīng)角膜切口術后應用到角膜，可減少縫合造成的角膜散光[40]。有研究設計了一種可注射的熱敏密封膠，用來封閉眼球表面開放性外傷[41]。這種智能水凝膠是由N-異丙基丙基酰胺與丁基丙基丙烯酸酯共聚形成，升溫到體溫所形成，暴露在冷水之后可移出眼睛，不造成附加傷害。在體外實驗和動物實驗中，均證實了熱敏密封膠的安全性、有效性及形狀適應性，其具有作為智能創(chuàng)面密封劑的潛能。對于裂孔性視網(wǎng)膜脫離，當前可采用激光治療和玻璃體切除結合鞏膜扣帶術進行治療，但伴隨著很多并發(fā)癥，最常見增生性玻璃體視網(wǎng)膜病變[42]。于是研究者設想出用有黏性的柔軟的玻片封閉視網(wǎng)膜裂孔，防止玻璃血清進入視網(wǎng)膜間隙造成更嚴重的視網(wǎng)膜脫落。Hoshi等[43]設計出了一種光交聯(lián)的PEG聚合物水凝膠，在兔眼實驗中，這種材料能夠有效的封閉視網(wǎng)膜裂孔，并在隨后的6個月中視網(wǎng)膜一直保持附著狀態(tài)，不需要術后注入氣體進行填壓，材料無毒性和無明顯炎癥反應，提示了未來投入臨床使用的可能性。

3.3 玻璃體替代物在玻璃體視網(wǎng)膜疾病中，玻璃體切割術切除混濁的玻璃體或玻璃體視網(wǎng)膜牽拉，恢復透明的屈光間質并使視網(wǎng)膜復位。玻璃體切割術后需要在玻璃體內(nèi)填充玻璃體替代物，維持眼球形狀，使視網(wǎng)膜復位。當前使用的玻璃體替代物有BSS、惰性氣體以及硅油等，但BSS及氣體填充時間短，而硅油填充容易乳化，且伴隨著術后取油的負擔。目前國內(nèi)上市了一種折疊式人工玻璃體球囊(foldable capsular vitreous body,FCVB)，由醫(yī)用硅膠材料制成，術中在球囊內(nèi)注入PVA水凝膠，能夠長期穩(wěn)定地放置在眼內(nèi)，可應用于嚴重的視網(wǎng)膜脫離[9]。天然聚合物來源的水凝膠，如水楊酸[44-45]、膠原[46]、殼聚糖[47]等，兼容性良好，有作為玻璃體替代物的潛力，但由于各材料容易降解、黏度低，因而填塞效果較差，只適合作為短期的填塞。改性后制成的水凝膠，如膠原蛋白和聚(甲基丙烯酰胺-共聚-甲基丙烯酸酯)[Poly(MAM-co-MA)]復合物構成的仿生玻璃體，注入玻璃體內(nèi)后，在體溫下凝膠，膨脹了的水凝膠能在體外環(huán)境中保持4周不降解，但需進一步通過體內(nèi)試驗證實其有效性[48]。合成聚合物制成的水凝膠，如Bio-Alcamid?商品是一種聚脘基胺水凝膠，在玻璃體替代物的體內(nèi)和體外實驗中，對視網(wǎng)膜的功能和形態(tài)均有嚴重的不良反應[49-50]。有研究報道了一種以PEG制成的超低分子聚合物，能在10 min內(nèi)快速形成水凝膠，有著極低的膨脹率，能長時間填充在眼內(nèi)，注入了兔眼玻璃體內(nèi)后1年內(nèi)無明顯不良反應，或許可成為未來玻璃體替代物[51]。近年來，有研究發(fā)現(xiàn)了一種超吸水的高分子聚合物水凝膠，其力學模量、透光率、折射率和穩(wěn)定性等參數(shù)與天然玻璃體類似，注入兔眼16周后，對眼周圍軟組織沒有明顯影響[52]。

3.4 攜帶細胞/作為支撐細胞的支架材料細胞包封治療(encapsulated-cell therapy,ECT)是基于細胞治療的一種傳遞方式，可以移植細胞進行組織的替代，也可以利用細胞進行持續(xù)的藥物輸送，在糖尿病及一些中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂疾病中研究較多[53]。在眼科的治療中，近年來報道了一種藻酸鹽-膠原復合物水凝膠作為基質構建的ECT平臺[54]。其中藻酸鹽具有良好的細胞固定能力和可調節(jié)的機械性能，而膠原作為一種細胞外基質，能促進細胞黏附、存活和增殖，藻酸鹽-膠原復合物規(guī)避了各自缺點，有很好的機械性能[55]。包封的細胞能持續(xù)釋放膠質細胞源性的神經(jīng)營養(yǎng)因子(glial-cell derived neuroreophic factor,GDNF)，這個研究的亮點在于只需口服多西環(huán)素就能控制藥物釋放的終點，避免GDNF過量引起的安全問題。對遺傳性視網(wǎng)膜變性大鼠長期使用藻酸鹽-膠原復合物構建的模型，視網(wǎng)膜結構和功能均得到了改善，置入6個月后仍能有效支持細胞生存，該平臺或許可作為未來眼底病治療的一種方式。

水凝膠可提供細胞合適的微環(huán)境，促進細胞黏附、增生和分化，廣泛應用于再生醫(yī)學[56]。 研究發(fā)現(xiàn)，一種可注射的熱敏羧甲基已基殼聚糖(carboxymethyl-hexanoyl chitosan,CHC)水凝膠作為誘導多功能干細胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)的支架，能夠使干細胞增殖和分化。iPSC/CHC水凝膠還能降低氧化應激反應，招募內(nèi)源性角膜上皮細胞恢復角膜上皮的厚度，由此促進受損角膜的重建[57]。當前沒有治愈治療視網(wǎng)膜退行性病變的辦法，為了促進胚胎干細胞、iPSCs的生長，利用可注射的藻酸鈣制成的水凝膠作為支架，能維持細胞存活45 d，視網(wǎng)膜色素上皮和視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞的標記物在其中表達上調[58]。

4 結論

綜上所述，根據(jù)疾病治療的需求不同，在眼科藥物傳遞、細胞傳輸、修補創(chuàng)口及組織填充等方面，設計出不同作用效果的水凝膠，天然聚合物來源的水凝膠生物兼容性良好，但性能不可控，會造成不穩(wěn)定的膠化過程及難以控制的降解速率。改性后的水凝膠滿足多種需求，更有研究潛力?？勺⑸渌z由于是原位交聯(lián)，更應該控制好膠化時間，避免注射過程中的剪切應力對水凝膠的性能造成影響。盡管有一部分可注射水凝膠已被批準上市，但大多數(shù)研究其作為攜帶藥物的載體，少部分作為創(chuàng)口修補，更多的研究應該致力于玻璃體替代物及干細胞治療方面。