劉穎慧，李昆釗，梁文迪，王東凱

（沈陽藥科大學(xué) 藥學(xué)院，遼寧 沈陽 110016）

眼睛是人體重要且敏感的器官，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)造精密，容易受到各種疾病和炎癥的影響。然而，眼部的生理屏障和清除機制對有效治療各種眼部疾病提出了不小的挑戰(zhàn)。眼部給藥最常用的途徑是局部給藥，如滴眼液和眼膏劑。然而，卻面臨著生物利用度低（5 %）、頻繁給藥等局限性[1]。為克服這些局限，越來越多的研究者們開始探索原位凝膠在眼部遞藥中的應(yīng)用。筆者就眼用離子敏感型原位凝膠的作用機制、常用聚合物材料以及遞藥策略進行概述，旨在為后續(xù)的研究方向提供新的思路和有益參考。

1 眼部給藥的特點

眼睛通常以晶狀體平面為界被分為前段和后段，前段包括角膜、結(jié)膜、虹膜、睫狀體、房水和晶狀體；后段包括玻璃體、視網(wǎng)膜、黃斑、視神經(jīng)、脈絡(luò)膜和鞏膜（見圖 1）。相應(yīng)地，眼部疾病也被分為前段疾病和后段疾病[2-3]。眼部疾病的給藥途徑主要是局部給藥和全身給藥。

全身給藥主要采用口服或靜脈注射，使藥物通過血液循環(huán)到達作用部位。但是，由于眼內(nèi)環(huán)境的血-房水屏障（Blood-aqueous barrier,BAB）和血-視網(wǎng)膜屏障（Blood-retina barrier,BRB）的阻礙，全身給藥的生物利用度僅有10 %[4-5]。

局部給藥是治療眼前段疾病最常見的手段，常用的給藥劑型主要是滴眼液和眼膏劑，約占眼用制劑市場的 90 %[6]。局部給藥雖然無創(chuàng)，且患者依從性好，但反射性眨眼、淚液稀釋、鼻淚管引流等動態(tài)屏障使藥物很難達到理想的治療效果，生物利用度還不到 5 %[5-8]。研究表明，普通滴眼液一滴的體積大約為 25～56 μL，平均約39 μL。而眼睛儲存液體的體積約為 7 μL，滴眼后多余的藥液會迅速從結(jié)膜囊溢出，或從鼻淚管流出，淚液也會不斷排出，直到其體積恢復(fù)至 7 μL 左右。淚液排出的速率可隨藥液黏度增大而減小[7,9]。因此，滴眼液的藥物損失率在 90 % 以上。此外，少量藥物將從鼻淚管進入胃腸道，還會造成全身毒性[10]。為維持藥效，滴眼液給藥次數(shù)一般維持在 2～4 次/天。頻繁給藥使得藥物吸收的峰谷現(xiàn)象突出，在靶部位難以維持長時間平穩(wěn)有效的治療濃度，高頻率、大劑量用藥可能會同時引起眼部和全身副作用[11,12]。為了能較大限度地提高眼用藥物的眼部吸收，最常使用的改進策略主要有兩種：增加角膜通透性和延長眼表接觸時間[7,13]。前者主要通過前藥、滲透促進劑和膠體給藥系統(tǒng)（如納米粒、脂質(zhì)體、囊泡）來實現(xiàn)，后者主要依賴于眼用制劑的流變性和黏附性來實現(xiàn)[14]。

Fig.1 Anatomy of eye[3]圖1 眼部解剖圖[3]

2 原位凝膠

原位凝膠（in-situgel）又稱即型凝膠、在位凝膠，是一種具有環(huán)境敏感性的聚合物藥物[15-17]。該類制劑以水溶液形式作用于眼部后，在眼部生理環(huán)境下發(fā)生相變，形成半固態(tài)的凝膠狀物質(zhì)（見圖 2），從而延長了藥物在眼部的滯留時間。該遞藥系統(tǒng)具有滴眼液和眼用凝膠的雙重優(yōu)勢[11,18]。此外，原位凝膠具有假塑性行為，其黏度會隨著剪切速率的增加而急劇下降，可避免患者因頻繁眨眼而產(chǎn)生疼痛的感覺[19-21]。該類制劑的特點在于：①易于給藥，劑量準確，副作用??；②眼部滯留時間長，藥物持續(xù)釋放，生物利用度高；③減少給藥頻率，改善患者依從性和舒適性[21,22]。

Fig.2 The picture of blank gel solution and blank gel[11]圖2 空白凝膠溶液與空白凝膠[11]

刺激響應(yīng)型原位凝膠是使用環(huán)境敏感、生物相容、無刺激性的聚合物配制而成的[23]。根據(jù)刺激響應(yīng)性機制，原位凝膠大致可分為溫度敏感型、pH 敏感型、離子敏感型三種凝膠體系[18,24]。溫度敏感型原位凝膠在室溫下為溶液形式，在生理溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍虘B(tài)凝膠，最常用的聚合物有泊洛沙姆（Poloxamers/Pluronics?）、聚N-異丙基丙烯酰胺類和纖維素衍生物等[25]。pH 敏感型聚合物如聚丙烯酸（Polyacrylic acid,PAA）類衍生物卡波姆，含有可電離的酸性或堿性基團，這些基團能夠根據(jù)環(huán)境 pH 值的變化接受或提供質(zhì)子，并表現(xiàn)出溶膠-凝膠（sol-to-gel）轉(zhuǎn)變[25-26]。離子敏感型聚合物可與淚液中的離子相互作用，構(gòu)象改變并形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，發(fā)生溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變。制劑在眼表的黏度主要取決于淚液中陽離子的濃度[25]。有研究認為，陰離子和陽離子聚合物可比非離子聚合物表現(xiàn)出更好、更顯著的黏附性能。淚液的快速周轉(zhuǎn)與排出會使普通黏性滴眼液被稀釋，導(dǎo)致其黏附性降低。而此時陽離子的大量增加，卻可進一步提高離子敏感型聚合物的黏度[27]。此外，離子敏感原位凝膠與溫度敏感原位凝膠相比，所使用的響應(yīng)性聚合物濃度更小；與pH 敏感原位凝膠相比，具有更適于眼部的 pH 值，刺激性更小[17]。因此，離子敏感型原位凝膠在眼部給藥的應(yīng)用有著獨特的優(yōu)勢。

第一個上市的眼用原位凝膠制劑 Timoptic?-XE[9]，即馬來酸噻嗎洛爾原位凝膠滴眼液（Timolol maleate ophthalmic gel forming solution），是以結(jié)冷膠為基質(zhì)的離子敏感型原位凝膠制劑。與傳統(tǒng)的噻嗎洛爾滴眼液相比，原位凝膠制劑的給藥頻率從每天兩次減少到每天一次[28]。目前市場上的眼用原位凝膠產(chǎn)品見表 1。

Table 1 Key information about the marketed in-situ gel preparations表1 已上市原位凝膠制劑的主要信息

3 離子敏感型原位凝膠作用機制

陰離子多糖與淚液中的一價 Na+和/或二價 Ca2+、Mg2+交聯(lián)后可發(fā)生溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變[29]，并增加聚合物黏度。因此，可延長藥物在眼部的滯留時間，減少淚液的沖刷與稀釋，提高生物利用度[30]。其中，陽離子的類型和濃度與交聯(lián)聚合物的黏度和溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變速率有關(guān)。在可用于開發(fā)緩釋給藥的眼科制劑的材料中，廣泛使用的為離子活化多糖包括結(jié)冷膠、海藻酸鈉、黃原膠等[19,21,24]。

4 常用離子敏感型聚合物及其應(yīng)用

4.1 結(jié)冷膠

結(jié)冷膠（Gellan gum,GG）是從鞘氨醇單胞菌中提取的一種線性陰離子胞外多糖，由α-L-鼠李糖、β-D-葡萄糖和β-D-葡萄糖醛酸組成，摩爾比為 1∶2∶1[22]。結(jié)冷膠最初是一種食品添加劑，在各種食物中起到穩(wěn)定劑、增稠劑和膠凝劑的作用。近年來，結(jié)冷膠因其生物相容性和低細胞毒性而被作為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用材料進行研究[31]。天然結(jié)冷膠可形成柔軟的彈性凝膠，而商業(yè)產(chǎn)品（Gelite?/kelcogel?）通過堿處理脫乙酰化，可形成透明且堅硬的凝膠[32]。結(jié)冷膠對熱和 pH 都很穩(wěn)定，其分子量很高，約 5 × 105Da[33]。在無離子環(huán)境中，含有結(jié)冷膠的溶液黏度很小，在室溫下以溶液形式存在，聚合物通過微弱的范德華力連接而形成雙螺旋[34]。一旦與淚液中的陽離子電解質(zhì)接觸，這些螺旋聚集在一起，導(dǎo)致聚合物交聯(lián)，并與陽離子形成復(fù)合物，與水形成氫鍵，聚集形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這樣就形成了結(jié)膜-鞏膜儲存庫，從而可以更有效地控制藥物釋放[24]。鎂、鈣等二價離子比鈉、鉀等一價離子對凝膠特性的影響更大。在所有陽離子中，鈣離子對凝膠強度的影響最大[33]。

Fig.3 The chemical structure of gellan gum: high acyl (A) and low acyl (B) [33]圖3 結(jié)冷膠化學(xué)結(jié)構(gòu)：高乙酰化（A）和低乙?；˙）[33]

4.1.1 結(jié)冷膠的應(yīng)用

Yu 等[13]設(shè)計了馬來酸噻嗎洛爾（Timolol maleate,TM）的“脂質(zhì)體-離子敏感原位凝膠載體”給藥系統(tǒng)，實驗得出 TM 在0.2 %、0.4 % 和 0.6 %（w/v）低乙酰結(jié)冷膠脂質(zhì)體的釋藥速度呈遞減趨勢，凝膠黏度呈遞增趨勢。在對制劑的體內(nèi)外特性和刺激性進行評價后發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)馬來酸噻嗎洛爾滴眼液相比，新型制劑可提高角膜透過率、延長角膜滯留時間、提高生物利用度。

Sun 等[31]開發(fā)了以結(jié)冷膠為基礎(chǔ)的布林佐胺（Brinzolamide）眼用原位凝膠緩釋制劑。實驗結(jié)果表明，在模擬淚液（Simulated tear fluids,STF）的存在下，制劑溶液相變后形成一種黏性凝膠。從而，可實現(xiàn)藥物的緩慢釋放。普通滴眼液 2 h 內(nèi)釋放近 92 % 的藥物，相變后的凝膠制劑可使藥物釋放時間延長至 12 h。凝膠的黏度隨 GG 濃度的增加而增加，而釋藥速率隨之降低。

Bhalerao 等[34]研究了布林佐胺在不同比例結(jié)冷膠制劑的體外釋放情況發(fā)現(xiàn)，含有結(jié)冷膠的制劑的藥物釋放主要受制劑中結(jié)冷膠的比例影響。在布林唑胺溶液濃度為 0.5 %（w/v）的情況下，結(jié)冷膠濃度從 0.10 % 增加到 0.30 %，溶液的黏度從 19 cps 增加到 41 cps，與模擬淚液混合后體外膠凝時間從 18 s 顯著縮短到 5 s。不含結(jié)冷膠的制劑 50 % 藥物釋放所需時間（t50%）為 0.28 h，完全釋放時間（t90%）為 3.91 h。當結(jié)冷膠的用量從 0.10 % 增加到 0.30 % 時，t50%提高為2.86～9.80 h，t90%提高為 14.91～32.12 h。

4.1.2 結(jié)冷膠的設(shè)計改良

結(jié)冷膠雖然具有一定的黏附性，但因為其三維結(jié)構(gòu)依賴著較弱的氫鍵和范德華力，所以仍不足以延長藥物在黏膜的滯留時間至理想值[22]。因此，不少研究者嘗試對結(jié)冷膠進行結(jié)構(gòu)改良，開發(fā)其衍生物，以便得到更優(yōu)的制劑。

Agibayeva 等[35]對甲基丙烯酸酯結(jié)冷膠衍生物作為潛在的眼部給藥黏附性輔料進行了評價。通過與甲基丙烯酸酐反應(yīng)，對結(jié)冷膠進行化學(xué)改性，得到甲基丙烯酸度分別為 14 % 和 49 % 的衍生物。與原始結(jié)冷膠相比，衍生物的疏水性更強。對含有結(jié)冷膠的熒光素鈉及其甲基丙烯酸酯衍生物的體外研究表明，甲基丙烯酸化改善了結(jié)冷膠的黏附性，增強了它們在牛結(jié)膜黏膜上的滯留。用含有結(jié)冷膠和甲基丙烯酸酯衍生物的鹽酸毛果蕓香堿制劑進行的活體實驗表明，改性程度較低的 6 % 的衍生物具有更好的性能。

Jelkmann 等[22]通過氧化裂解和氨還原胺化將伯氨基引入結(jié)冷膠主鏈，合成了胺化結(jié)冷膠衍生物。與未經(jīng)改性的結(jié)冷膠相比，胺化的聚合物-粘液混合物的黏度增加了 32 倍，在黏膜的黏附時間延長了 14 倍，從而增強了制劑的黏附性。

4.2 海藻酸鈉

海藻酸鹽（Sodium alginate,SA）是一種可生物降解的生物相容性陰離子多糖，由β-D-甘露糖醛酸（Mannuronic acid,M）和α-L-古糖醛酸（guluronic acid,G）殘基組成，二者通過 1,4-糖苷鍵連接，其順序和比例由其來源的藻類決定[24]。這種多糖與溶液中的 Ca2+等陽離子反應(yīng)，通過離子交聯(lián)形成緊密排列的鏈狀水凝膠，增加了其黏性，也增加了眼藥的滯留時間。所形成凝膠的理化性質(zhì)取決于所用海藻酸鹽的濃度、黏度、分子量，以及其結(jié)構(gòu)中 G 和 M 殘基的比例，前者含量的增加會增加凝膠的凝膠化程度[24,36,37]。

Cohen 等[37]的研究結(jié)果表明，低 G 含量（40 %）的海藻酸鹽凝膠化速度較慢，一般需要10 min以上才能得到可見的凝膠。高 G（69 %）海藻酸基質(zhì)的毛果蕓香堿制劑能有效降低兔眼的眼壓，并維持 10 h 左右。相比之下，毛果蕓香堿水溶液劑的降眼壓效果僅可持續(xù) 3 h。而低 G（39 %）的海藻酸鹽制劑的持續(xù)降眼壓效果僅與水溶液劑相當。

Rupenthal 等[27]比較了載有毛果蕓香堿的 0.5 % 結(jié)冷膠、黃原膠、卡拉膠、海藻酸鹽等聚合物的原位凝膠制劑的效果。這些聚合物在維持毛果蕓香堿的縮瞳反應(yīng)方面均優(yōu)于水溶液。然而，海藻酸鹽制劑的藥物滯留效果遜于其他聚合物制劑，性能較差，原因可能是其在淚液中的凝膠能力較低。另外，淚液的快速周轉(zhuǎn)與排出雖然進一步提高了結(jié)冷膠、黃原膠和卡拉膠制劑的黏度，卻可能由于其中的二價陽離子濃度過高，導(dǎo)致海藻酸鹽在眼部產(chǎn)生沉淀。

4.3 黃原膠

黃原膠（Xanthan gum,XG）是一種生物相容性好、可生物降解的陰離子多糖，經(jīng)細菌發(fā)酵產(chǎn)生。XG 由一個線性的β-(1-4)-D-葡萄糖骨架組成，與纖維素相同[38]。XG 水溶液具有剪切稀釋性，在低溫或高離子強度下顯示出有序、剛性的雙螺旋結(jié)構(gòu)。不同的 XG 分子鏈之間通過較弱的非共價相互作用形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所以，其凝膠性質(zhì)較弱，它在任何濃度下都不能形成真正的凝膠[39]。因此，與前兩種聚合物相比，黃原膠很少作為起主要作用的凝膠劑，它更多地被用來與其他性能優(yōu)異的聚合物復(fù)配，通常作為增黏劑以改善單一凝膠體系的黏度和凝膠化程度。

Bhowmik 等[40]制備了一種基于泊洛沙姆 407 的眼用原位凝膠制劑，并在不影響凝膠緩釋性能的前提下，加入了黃原膠和瓜爾膠（Guar gum）。結(jié)果表明，要使制劑在體溫下發(fā)生溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變，需泊洛沙姆的濃度在 18 % 以上。而以質(zhì)量比 3∶7 加入黃原膠和瓜爾膠后，泊洛沙姆濃度低于 18 % 時便可完成凝膠轉(zhuǎn)變。體外和體內(nèi)研究都表明，含有黃原膠-瓜爾膠的制劑的藥物釋放速率更慢，角膜前滯留時間更長。

Morsi 等[41]制備了以結(jié)冷膠為基礎(chǔ)的離子敏感型眼部給藥納米乳劑。分別加入了黃原膠和HPMC 增強制劑的黏附性，未影響緩釋性能。相比之下，結(jié)冷膠-黃原膠制劑在所有研究參數(shù)上均優(yōu)于結(jié)冷膠-HPMC。制劑穩(wěn)定性良好，與市售布林佐胺滴眼液（Azopt?）和乙酰唑胺口服片劑（Cidamex?）相比，能有效減緩藥物釋放，在長時間降低眼壓方面顯示出優(yōu)越性。

4.4 復(fù)配體系

在實際應(yīng)用中，單一的凝膠體系有時候會因具有一定的缺陷導(dǎo)致其性能不能完全滿足制劑的要求。因此，可以采用復(fù)配體系來改變單一原位凝膠基質(zhì)的缺陷。將兩種或以上具有不同刺激響應(yīng)機制的原位凝膠聚合物組合在同一制劑中，有望改善治療效果并提高患者依從性，還可能使藥物的生物利用度呈指數(shù)增加[42]。同時，也可減少配制更高效的原位凝膠體系所需的單個聚合物的用量[32]。

Shastri 等[43]以鹽酸莫西沙星為模型藥物，考察了以 P407（15 %,w/w）、P188（14 %～16 %,w/w）為基礎(chǔ)的加入結(jié)冷膠（0.3 %～0.7 %,w/w）的原位凝膠復(fù)配體系。發(fā)現(xiàn)結(jié)冷膠的加入對凝膠的生物黏附力、凝膠強度產(chǎn)生了積極作用，也有助于控制藥物的釋放速率。

Ranch 等[44]研制、優(yōu)化和評價了結(jié)冷膠（0.55 %,w/v）與卡波姆 934P（0.35 %,w/v）的復(fù)配體系制備奧洛他定原位凝膠，二者的協(xié)同效應(yīng)改善了制劑的凝膠特性。優(yōu)化后的凝膠透明、等滲，具有假塑性流動，生理條件下黏度最大（3363 cps）、非生理條件下黏度最?。?31 cps）、使用安全、無刺激性?；铙w藥物釋放研究顯示，與滴眼液（1 h）相比，家兔淚液中的藥物存在時間長達3 h。該凝膠在人眼內(nèi)的接觸時間為 (15.0 ± 2.5) min，是市售凝膠（(6.0 ± 3.2) min）的 2 倍以上，可減少給藥次數(shù)和總給藥劑量。

結(jié)語

除了上述的刺激響應(yīng)性原位凝膠，一些“智能”凝膠也層出不窮。在環(huán)境發(fā)生微小變化時可表現(xiàn)出顯著的物理化學(xué)變化，從而觸發(fā)智能聚合物結(jié)構(gòu)變化。這些信號或刺激因素可以是光、壓力、酶、生物分子、葡萄糖等[24,42]，“智能”凝膠的獨特性能也在眼部給藥方面打開了新的應(yīng)用的大門。

綜上所述，眼用原位凝膠制劑具有獨特的優(yōu)勢，能夠克服一部分傳統(tǒng)眼藥劑型的局限性，可極大延長藥物在角膜的滯留時間、減少給藥次數(shù)、提高生物利用度、改善患者依從性。原位凝膠給藥系統(tǒng)在治療眼部疾病方面有著巨大的潛力和廣闊的前景。然而，目前上市的眼用原位凝膠制劑鳳毛麟角，可見原位凝膠給藥系統(tǒng)在臨床的多樣化應(yīng)用仍面臨著不小的挑戰(zhàn)。為了最大化地提高眼用原位凝膠制劑的治療效果，還需對各類聚合物進行更深入、更嚴格的研究與探索，以開發(fā)出更優(yōu)秀的原位凝膠眼部給藥系統(tǒng)。同時，針對眼用原位凝膠制劑建立一套完善的質(zhì)量評價體系也是亟待解決的問題。