用于眼内药物递送的有机纳米载体研究

Abstract

The application of intraocular drug delivery is usually limited due to special anatomical and physiological barriers, and the elimination mechanisms in the eye. Organic nano-drug delivery carriers exhibit excellent adhesion, permeability, targeted modification and controlled release abilities to overcome the obstacles and improve the efficiency of drug delivery and bioavailability. Solid lipid nanoparticles can entrap the active components in the lipid structure to improve the stability of drugs and reduce the production cost. Liposomes can transport hydrophobic or hydrophilic molecules, including small molecules, proteins and nucleic acids. Compared with linear macromolecules, dendrimers have a regular structure and well-defined molecular mass and size, which can precisely control the molecular shape and functional groups. Degradable polymer materials endow nano-delivery systems a variety of size, potential, morphology and other characteristics, which enable controlled release of drugs and are easy to modify with a variety of ligands and functional molecules. Organic biomimetic nanocarriers are highly optimized through evolution of natural particles, showing better biocompatibility and lower toxicity. In this article, we summarize the advantages of organic nanocarriers in overcoming multiple barriers and improving the bioavailability of drugs, and highlight the latest research progresses on the application of organic nanocarriers for treatment of ocular diseases.

眼睛是人体重要的视觉器官，人类约有95%的信息是通过眼睛获取的^［1］。世界卫生组织《2019年世界视力报告》显示，全球至少有22亿人受到视力障碍或失明的困扰^［2］。近年来，随着生活环境的转变，各种眼病的发病率呈持续上升趋势，白内障、青光眼、糖尿病视网膜病已经成为主流致盲眼部疾病，不仅影响人们的健康和生活，而且还给社会带来巨大的经济负担^［3］。据估计，全球每年用于各种眼病的费用高达3万亿美元，平均每人403美元，并且仍在不断增长^［4］。中国每位眼病患者的年平均直接成本和造成的损失分别为6988.6美元和10 834.3美元^［4］。

为抵御外来物质的干扰，人眼拥有特殊的解剖结构，为其提供静态和动态屏障^［5］。但这些屏障也在一定程度上对药物分子在眼内的渗透和输送造成了阻碍，导致药物滞留时间短、穿透性弱、靶向性差，目前常用商业滴眼液配方药物的生物利用度不到5%^［6］。近年来，利用有机纳米载体优越的理化特性、较高的生物相容性和较低的免疫原性等优势，弥补药物在眼内递送生物利用度低下的问题已经成为研究热点^［7-8］。本文先介绍眼内药物递送的屏障，然后着重对多种有机纳米载体在改善眼部疾病治疗效果方面的最新研究进展进行综述，以供同行参考。

1. 眼内药物递送的屏障

按解剖学，眼睛可以分为眼前段和眼后段。眼球的前三分之一为眼前段，眼前段组织包括角膜、结膜、虹膜、睫状体、房水和晶状体，病变主要集中在角膜、结膜和晶状体等部位，如眼干燥症、角膜损伤和白内障等^［9］。眼球的后三分之二为眼后段，眼后段组织包括玻璃体、视网膜、黄斑、视神经、脉络膜和巩膜等结构^［10］，病变主要集中在玻璃体和视网膜部位，如青光眼、早产儿视网膜病变、糖尿病视网膜病变及老年性黄斑变性等^［11-12］。

1.1. 静态屏障

眼前段静态屏障包括角膜上皮、结膜上皮和血-房水屏障，眼后段静态屏障包括巩膜、视网膜色素上皮和毛细血管内皮细胞血-视网膜屏障。角膜由五层组织构成，其中包括三个细胞层（上皮细胞、基质细胞和内皮细胞）和两个界面层（前弹力层和后弹力层）。角膜最主要的渗透屏障是上皮细胞，其由6~8层细胞组成，细胞旁孔径为2 nm，形成的紧密细胞连接只允许分子量在500以下的分子通过，严格限制了药物的渗透性^［13］。眼前段的血-房水屏障由两个不连续的细胞层（虹膜-睫状膜血管内皮和无色素睫状膜上皮）组成，控制着前段和后段之间物质的输送。同时，血-房水屏障的存在也阻止了血浆来源的白蛋白和亲水药物从血浆进入房水，从而导致物质的渗透性较差。巩膜包围着眼球的最外层，连接着眼睛的前后部分，其由包括胶原原纤维和糖蛋白在内的细胞外基质组成，维持眼球形态，只有亲水性分子容易穿过。血-视网膜屏障是血液与视网膜之间特有的运输屏障，在视网膜循环的视网膜色素上皮细胞单层（血-视网膜屏障外层）之间及其内侧的视网膜毛细血管内皮细胞（血-视网膜屏障内部）之间均具有紧密连接，有效限制了药物分子通过脉络膜血液循环向眼后段运输，只有部分亲脂性的小分子药物可少量通过。此外，血-视网膜屏障在控制神经视网膜稳态方面也起着重要作用，脉络膜血管的高流量和渗漏壁使分子容易进入脉络膜细胞外间隙，但很难通过视网膜色素上皮细胞层，因为其是紧密单层，严格限制了分子的进一步运输^［14］。

1.2. 动态屏障

眼睛的动态屏障主要包括眼泪稀释、鼻泪管引流以及结膜和脉络膜组织血液和淋巴的吸收与转运。其中，眼前段动态屏障包括泪液引流、房水引流和周转以及结膜血液和淋巴循环，眼后段动态屏障包括脉络膜血液和淋巴循环。其中，由于眼泪的分泌和流失，70%~80%药物会通过眼外溢出或鼻泪管排出，同时眼泪中的蛋白会结合药物造成有效成分的损失^［15］。泪膜是保护眼睛不受外来物侵袭的第一层屏障，主要由外部的脂质层，中间的含盐层（分泌黏蛋白、蛋白质和代谢酶）和内层的黏蛋白层（由溶菌酶和细胞表面黏蛋白形成糖萼层）组成，其厚度约为500 nm。人眼在接触到外来物时，眼泪快速更新并伴随着眨眼反射限制药物在角膜前的停留时间，药物会在几分钟内被完全清除。鼻泪管也会将大部分药物引流，经喉咙和口腔将药物稀释带走。同时，泪膜中代谢酶可显著降解活性药物^［16］。另外，由于血液和淋巴循环将药物吸收进入血液，降低了药物的眼内浓度，这也是影响眼内药物递送效率最常见的原因之一。

2. 用于递送眼内药物的有机纳米载体

鉴于眼球特殊的生理病理特点，现今临床一般使用的滴眼制剂必须借助添加材料才能将药物高效递送至眼内病变部位，提高药物分子的滞留时间、渗透性以及靶向能力。纳米载体平台由于其优越的理化性能，可提高药物的负载率，增强组织黏附性，改善药物作用的有效时间和空间位置，从而提升药物对疾病的疗效^［17］。其中，固体脂质纳米载体、脂质体纳米载体、树枝状大分子纳米载体、聚合物纳米载体、有机仿生纳米载体等生物递送效果尤为显著。这些有机纳米载体具有来源广泛、安全高效、生物毒性低、可修饰性强等优点，是递送药物的良好载体^［18］。

2.1. 固体脂质纳米载体

固体脂质纳米载体是一种近年兴起的药物递送系统，由天然或合成的固态类脂如卵磷脂、三酰甘油等组成，能够将活性成分包裹或夹嵌于类脂核中形成粒径为50~1000 nm的胶体，具有体积小、表面积大、药物释放可控、理化性能稳定、防止药物提前降解等优点^［19］。同时，固体脂质纳米载体具有生物可降解和生物相容性，可大幅提升生物安全性。该载体表面的疏水性能够有效延长纳米药物的眼前段滞留时间并增加角膜吸收和渗透能力，因此显著提高了药物的生物利用度^［20］。Puglia等^［21］制备了一种稳定的固体脂质纳米载体平台，将N-棕榈酰乙醇酰胺输送到眼后段，改善了药物的水溶性和稳定性差等问题。动物实验结果显示，其能够有效降低链脲霉素诱导的糖尿病大鼠模型的视网膜中肿瘤坏死因子-α的水平，目前已进入临床研究。Tan等^［22］将（3-氨基甲基苯基）硼酸偶联硫酸软骨素连接在包载地塞米松的固体脂质纳米载体表面，构建了纳米药物颗粒。该纳米粒表面含有硼酸基团，可与眼表黏蛋白中的唾液酸形成复合物，明显延长了纳米药物的角膜前滞留时间，减轻了眼干燥症及并发症，被认为是一种有前途的眼科疾病给药系统。Zhan等^［23］将可结合角膜糖蛋白的琥珀酰刀豆蛋白A用于功能化脂质体，显著延长了脂质载体在角膜的驻留时间；同时包载河豚毒素和右美托咪定，实现了对两者的控释；单次局部角膜滴注该纳米药物达到完全镇痛105 min和部分镇痛608 min的良好效果，适用于手术、非手术性角膜疼痛处理以及其他眼表疾病的有效治疗。综上，固体脂质纳米载体递送平台具有良好的生物安全性，在眼内药物递送中表现出优越的性能。

2.2. 脂质体纳米载体

脂质体纳米载体是由磷脂双分子层组成的脂质囊泡，其中心是亲水性区域，周围是脂质疏水区，其与固体脂质体纳米载体的主要区别在于固体脂质纳米载体是实心的，而脂质体纳米载体是空心的。由于亲/疏水区域的同时存在，赋予其包载一种或多种不同溶解度药物的能力。脂质体比聚合物材料具有更高的生物相容性，其可黏附于角膜，有利于眼内溶解度低、分配系数低、吸收率差的药物递送^［24］。Huang等^［25］将经穿透肽iRGD修饰的脂质体纳米载体包载治疗青光眼的药物布林佐胺，通过局部给药有效地递送药物至疾病部位，发现iRGD修饰的脂质体纳米载体可显著延长角膜滞留时间、提高渗透能力。这一方面归因于iRGD在蛋白酶降解时可与表达在角膜内皮细胞上的整合素α_vβ₃特异性结合，降解的iRGD通过结合神经蛋白酶-1，激活内吞运输通路，从而有效提高了iRGD受体介导的角膜通透性；另一方面，脂质体纳米载体可黏附于角膜，有利于溶解度低、分配系数低、分子量大、吸收率差的药物与眼表成分的良好相互作用，并且脂质体纳米载体的亲/疏水区域能够高效包载亲/疏水性药物，显著提高药物的眼内递送和缓释能力。因此，脂质体纳米载体作为一种用于治疗眼后段疾病的局部给药方式具有广泛的应用价值。Patel等^［26］利用脂质体纳米载体将核酸递送至视网膜，测试了11个不同的脂质体纳米载体变异体将mRNA递送至眼后段的能力。结果显示，脂质体纳米载体含有可电离基团且具有低酸性解离常数和不饱和烷烃链，使得递送的mRNA在视网膜中的蛋白表达水平较高，并且能够稳定维持96 h。由于基因递送具有细胞类型特异性，相应蛋白质主要表达于视网膜色素上皮细胞和少量米勒细胞上。脂质体纳米载体递送的mRNA可用于治疗单基因视网膜色素上皮细胞的退行性疾病。然而，无论是通过视网膜下给药还是玻璃体腔给药，脂质体纳米载体都不能穿透神经视网膜，这也严重限制了其将活性分子递送至最重要的靶点细胞之一——光感受器细胞。肽链能够主动跨越生物屏障，有效增强药物递送、显影剂和纳米药物的靶向性。Herrera-Barrera等^［27］借助基于M13噬菌体的七聚体肽库，筛选出与体内神经视网膜结合的肽序列，将肽链以不同的表面密度修饰在脂质体纳米载体表面，可使mRNA成功递送到神经视网膜。动物实验结果显示，将包载mRNA的脂质体纳米载体应用在非人灵长类动物的光感受器细胞（米勒细胞和视网膜色素上皮细胞）中可观察到稳定的蛋白质表达水平，推测其可以有效促使mRNA递送到神经视网膜，这拓宽了其用于治疗遗传性失明的应用前景。

2.3. 树枝状大分子纳米载体

除了脂质，树枝状大分子也是药物和基因传递的理想载体选择。树枝状大分子不同的分支数导致纳米粒的粒径以及表面的多价性不同，从而赋予其具有多功能化和静电相互作用能力。疏水药物往往通过主客体相互作用封装于树枝状大分子内部腔体，而亲水药物则可利用共价或分子间的作用力将药物负载于树枝状大分子表面。为了进一步避免药物的提前泄露和不可控释放，Wang等^［28］采用氮杂-迈克尔加成反应法制备了不同尺寸（纳米到微米）的聚酰胺-胺树枝状分子水凝胶粒子。该设计整合了树枝状大分子水凝胶和纳米/微米粒的优点，用于输送多种抗青光眼药物，如一线降眼压药物酒石酸溴莫尼定和马来酸替莫洛尔。该水凝胶粒子具有良好的细胞相容性、降解性、药物释放动力学和角膜通透性，并且在大小鼠体内均可实现单次给药或7 d每日给药一次的良好效果。另有研究表明，直径小于10 nm的表面胺化的聚酰胺-胺树枝状分子经局部给药后，其表面的正电性能够有效黏附角膜黏液从而延长其在角膜的滞留时间，较小的尺寸也有利于药物的进一步渗透；通过玻璃体腔注射给药时，纳米粒表面的正电性可使纳米粒靶向和聚集于视网膜细胞内，成为持续释放药物的潜在仓库^［29］。Yang等^［30］报道了一种新型聚酰胺-胺水凝胶/聚乳酸-羟基乙酸杂化纳米粒平台，用于两种抗青光眼药物溴莫尼定和马来酸噻吗洛尔的共递送。此联合外用制剂可持续4 d有效降低眼压，并能维持较高的房水和角膜中的溴莫尼定浓度以及房水中的马来酸噻吗洛尔浓度，药物在角膜和结膜滞留时间长达7 d，且不会引起眼部不适或炎症。You等^［31］制备了7种具有不同理化性能的表面功能化水溶性树枝状大分子纳米载体，经玻璃体腔注射24 h后，表面葡萄糖胺化的纳米载体主要聚集在视网膜疾病的靶点光感受器层和视网膜色素上皮中，并可能通过逐渐聚合转变为微米级颗粒作为药物仓库。上述方式大大减少了给药剂量及频率，有效提高了患者的长期用药依从性。

2.4. 聚合物纳米载体

聚合物纳米载体在眼内药物递送中的应用极其广泛，如天然聚合物纤维素、透明质酸、海藻酸盐、壳聚糖和果胶、明胶、白蛋白、胶原蛋白等，非天然聚合物聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乳酸、聚乙二醇、聚己内酯、泊洛沙姆407和聚N-异丙基丙烯酰胺等。聚合物纳米载体具有比其他纳米载体更高的稳定性、载药量以及更长的药物持续释放半衰期^［32］。据报道，多种眼部疾病存在细胞中活性氧过度积累的问题，如青光眼、角膜溃疡和黄斑变性等，维持线粒体内活性氧的平衡可能是治疗眼干燥症的长期安全有效的方法。Zheng等^［33］利用透明质酸和米托蒽醌甲磺酸盐（一种基于三苯基膦靶向线粒体的抗氧化剂）通过静电相互作用形成表面带正电的纳米粒，经局部给药主动靶向线粒体，清除眼干燥症患者线粒体内过量的活性氧副产物，降低氧化应激微环境，预防疾病产生的活性氧引起线粒体异常、干扰正常的线粒体呼吸链。Kim等^［34］制备了低浓度的具有热可逆胶凝性能的三嵌段共聚物F127（12%，w/w），其不会在体外温度下结成凝胶，且在眼表是低渗的，吸收水分后聚合物扩散正好集中在眼睛表面，可形成一种轻薄、均匀而透明的凝胶，具有良好的光学性能和生物安全性。同时，该凝胶能够将药物固定在眼球表面并贴合于眼皮下，有效抵抗眨眼清除和眼泪稀释，延长了滴眼制剂在眼表的滞留时间。这种低渗且低浓度热凝胶配方制剂对眼干燥症的治疗效果优于传统配方的等渗热凝胶配方制剂如亲水性酒石酸溴莫尼定、疏水性布林佐胺和疏水肽药物环孢素。

对于眼底疾病，如老年黄斑性病变、糖尿病视网膜病变和肿瘤等，现今临床上的主要治疗给药方式为玻璃体腔注射，频繁的介入治疗方式不仅给患者带来极大的痛苦，导致患者的依从性很差，而且可能因眼内感染、眼球出血和视网膜脱离等导致患者过早失明^［35］。因此，长期缓释药物的研发显得尤为重要。Tsujinaka等^［36］将聚乳酸-羟基乙酸共聚物与聚乙二醇化的聚乳酸-羟基乙酸共聚物混合形成包载抗新生血管药物舒尼替尼的微球颗粒。研究人员利用舒尼替尼在酸碱度7.4的水溶液中溶解度低这一特性，使微球颗粒在微乳液生产过程中有机相的药物损失最小化，从而得到超过10%的高载药量。动物实验结果显示，在兔眼玻璃体腔单次注射50 μL舒尼替尼微球颗粒混悬液，注射位置形成一个持续释放药物的固定仓库，其治疗效果可持续6个月。

相较于小分子药物，递送单克隆抗体和蛋白质等大分子类药物用于眼部疾病更加安全高效。目前已有多种单克隆抗体或蛋白质用于眼部疾病的临床治疗，如雷珠单抗、贝伐单抗、阿达木单克隆抗体以及阿柏西普、康柏西普等。这些药物临床上主要通过玻璃体腔注射^［37］，迫切需要开发高效的眼内药物递送系统将治疗性单克隆抗体和蛋白质等大分子药物有效输送到眼睛后段并发挥作用。Shen等^［38］研发了一种基于FCS的新型穿透眼屏障载体，用于在滴眼液配方中输送大分子眼科药物。FCS通过静电相互作用与模式蛋白质如抗体IgG自组装，形成稳定的有机纳米复合物，通过暂时性地打开角膜和结膜组织屏障的紧密连接而显示出有效的穿透眼屏障能力，证明了FCS/IgG纳米复合物的滴眼液配方可以有效地将IgG递送至小鼠和兔的眼后段。此外，在脉络膜新生血管的小鼠和兔模型中，进一步证明了FCS/抗VEGF抗体的治疗效果与玻璃体腔注射疗效相当，且在长期治疗过程中，FCS对眼睛的毒副作用几乎可以忽略不计。Gao等^［39］合作开发了另一种由磷酸倍他米松二钠混合形成可注射的超分子纳米纤维水凝胶，并在水凝胶形成过程中加入抗VEGF抗体实现高效包载。基于抗炎类固醇药物的纳米纤维水凝胶在小鼠的脉络膜新生血管模型中具有显著的抗炎作用，还能有效清除湿性黄斑性病变细胞内的活性氧以达到抗炎症和抗血管生成的协同治疗作用。

2.5. 有机仿生纳米载体

仿生细胞膜包载纳米粒作为新一代基于纳米粒的治疗方法，引起了研究者们的广泛关注。天然颗粒赋予纳米载体特异性表面抗原和生物功能，目前主要涉及的细胞种类包括红细胞、血小板、中性粒细胞、癌细胞、间充质干细胞和白细胞等，另外还包括细菌的生物膜，如将分离提取的生物膜用于包载纳米粒以形成核/壳结构^［40］。从细菌到哺乳动物细胞的天然颗粒在进化过程中高度优化，因此仿生纳米载体表现出更好的生物相容性和更低的毒性，并且还具有来源于细胞等的特定生物功能^［41］。Ran等^［42］将来自内源性低密度脂蛋白（一种靶向新生血管的胆固醇）经渗透素（一种跨膜蛋白肽）锚定后包载光动力治疗药物维替泊芬，形成了一种无创且具有增强眼部通透性和病灶识别能力的仿生纳米滴眼液。单次局部给药治疗后，眼底的VEGF和细胞间黏附分子-1蛋白显著下调，抑制了年龄相关黄斑变性引起的新生血管并且缓减了相关炎症。Chen等^［43］利用皮脂细胞膜过表达整合素-β1，然后包载地塞米松形成可黏附在眼表的纳米粒，局部给药后，由于整合素-β1与角膜和结膜上皮表达的纤连蛋白Arg-Gly-Asp序列之间特异性结合，使得制剂在眼表形成纳米涂层，可以保留长达24 h；且有效促进了角膜上皮细胞的恢复，降低了角膜混浊度和炎症细胞因子水平，并使泪液恢复分泌，是一种保护眼表和延长药物局部滞留时间的潜在替代方法。Tian等^［44］借助自调节性T细胞的工程外泌体，使用肽连接物将其与抗VEGF抗体结合，用于年龄相关黄斑变性的治疗，利用炎症环境中的基质金属蛋白酶降解纳米药物，释放的外泌体能靶向定位于新生血管病变部位起到抑制炎症的作用，结合抗VEGF抗体抑制新生血管发展，在小鼠和非人类灵长类动物的脉络膜新生血管模型得到同样的结论。

3. 展 望

在过去几十年里，为了提高药物的生物利用度、增加生物分布和最小化生物毒性，人们付出了无数的努力，有机纳米载体以其来源广泛、易于制备、性能优异而被用于多种眼内药物递送的研究。有机纳米载体赋予了亲/疏水小分子以及亲水性大分子药物多种性能，有效提高了纳米药物的溶解性、黏附性、渗透性、靶向性、长期缓释以及生物降解能力。其中，脂质体、可降解聚合物和天然颗粒等生物材料具有更好的生物相容性。多种可降解涂层材料已被用于修饰这些体系以及与生物膜等内源性载体之间的纳米界面，以提高其生物安全性。适当的表面修饰也可以延长药物的眼表滞留时间以及提高药物的渗透能力。此外，联合适配体修饰药物可以显著提高药物的靶向性，从而在实现精准治疗的基础上，尽可能降低有机纳米载体带来的毒副作用，在增强眼部疾病的疗效中发挥巨大作用，具有广泛的临床转化前景。

尽管有机纳米载体具有良好的生物相容性，但是其生物安全性仍然是研究者们最关注的问题。眼睛是一个相对封闭的组织，降解纳米载体的能力有限。随着药物的释放，有机纳米药物载体能否及时降解？目前这类载体分解吸收和内化的机制尚不完全清楚^［45］。此外，眼睛具有特殊的生理结构，对药物载体的颜色、溶解性、光学性能具有较高要求，载体是否对患者的视力有负面影响也是纳米载体在设计和使用时需要关注的。

基于上述问题，除了不断克服有机纳米载体的自身局限，人们也越来越关注各种天然颗粒的开发。来源于机体自身的天然载体可以弥补有机纳米载体的生物相容性不足，然而其制备及存储稳定性往往欠缺，工艺稳定性也是受研究者们关注的重要问题。利用可降解聚合物稳定天然颗粒，有望显著提高药物的稳定性和安全性，同时制备过程相对简单，易于产业化。经纳米材料的进一步修饰以及不同功能的相互协同作用，纳米粒可以以眼部制剂的形式合理应用，而不会对视力造成过多的负担，眼用药物有望实现更广泛的应用。

［缩略语］

信使RNA（messenger RNA，mRNA）；氟碳改性壳聚糖（fluorocarbon-modified chitosan，FCS）；免疫球蛋白G（immunoglobulin G，IgG）；血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）

利益冲突声明

所有作者均声明不存在利益冲突

Conflict of Interests

The authors declare that there is no conflict of interests