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武大黎威团队:自植入壳核结构微针贴片通过程序化释药长效治疗角膜炎

更新时间:2024-03-18      点击次数:322

角膜炎,也被称为角膜溃疡,是一种常见的角膜疾病,由细菌、真菌、病毒或变形虫引起。这种眼部疾病是导致视力丧失的主要原因,据报道,传染性角膜炎已成为第五大致盲原因。长期佩戴隐形眼镜是导致了金黄色葡萄菌的侵入的主要诱因之一,这种细菌的侵入容易诱发细菌性角膜炎,其临床症状为急性疼痛、红肿、畏光。研究发现细菌感染可诱导感染组织微环境发生酸性变化,进一步加剧疾病发病机制。传统上,细菌性角膜炎最常见的治疗方法是在眼表面局部使用广谱抗生素滴眼液来对抗传染性细菌。然而,由于角膜上皮屏障阻止亲水药物大分子穿透角膜,以及泪膜稀释清除药物溶液,大大降低了生物利用度和减少了药物滞留时间。因此,为了维持角膜内有足够的药物浓度,通常需要使用大量抗生素和频繁给药,这很可能给眼组织带来毒性影响,增加抗菌素耐药性的风险。

基于此,武汉大学药学院黎威教授团队设计开发了一种自植入的核壳结构微针贴片,用于治疗细菌性角膜炎。相关研究成果以“Self-Implantable Core–Shell Microneedle Patch for Long-Acting Treatment of Keratitis via Programmed Drug Release"为题发表在期刊《Small》上。武汉大学药学院博士研究生江雪为第一作者,武汉大学药学院黎威教授为通讯作者。




该微针贴片是利用摩方精密microArch® S240(精度:10μm)3D打印设备加工模具后经PDMS翻模制备而成。该研究首先通过原位的还原法制备了装载纳米银的沸石咪唑酯框架-8纳米粒(Ag@ZIF-8),然后将其装载在聚乙烯醇(PVA)组成的微针水溶性核心部分。MNs的外壳结构由生物相容性和可生物降解的天然蛋白质丝素蛋白(SF)组成,作为抗血管生成/抗炎药物雷帕霉素的(Rapamycin, Rapa)的缓释药物库(图1)。



图1 装载Ag@ZIF-8和雷帕霉素的核壳微针的示意图


随后通过透射电镜,x射线光电子能谱仪等多种表征证明,当纳米银被成功包覆在ZIF-8中,仍然可以维持ZIF-8原来的晶体结构。氮气吸附法和热重分析证实纳米银的负载率约为15%。在不同PH下做释放发现,Zn2+和Ag+在酸性pH下大量释放,呈现较灵敏的酸响应。并且通过透射电镜观察得到ZIF-8的结构在酸性条件下几乎破坏了(图2)。



图2. Ag@ZIF-8 NPs的表征。A) a) ZIF-8 NPs和b) Ag@ZIF-8 NPs在水溶液中的照片。比例尺,1厘米。TEM照片c) ZIF-8 NPs和d) Ag@ZIF-8 NPs在甲醇中的分布。比例尺为100纳米。B) Ag@ZIF-8 NPs的XPS测量谱。C) ZIF-8 NPs和Ag@ZIF-8 NPs的粒度分布。D) ZIF-8 NPs和Ag@ZIF-8 NPs的紫外光谱。E) ZIF-8 NPs和Ag@ZIF-8的XRD谱图。F) ZIF-8 NPs和Ag@ZIF-8 NPs的N2吸附-解吸等温线。G) ZIF-8 NPs和Ag@ZIF-8 NPs的TGA曲线。H) Ag@ZIF-8 NPs中Zn2+和Ag+在不同pH值介质中的释放分布。每个点代表平均值±SD (n = 3)。I)Ag@ZIF-8在不同pH值的培养基中孵育12小时后的TEM照片。比例尺为200 nm。


然后,通过SEM观察微针的结构。该微针为4×4的方形矩阵,针体呈圆锥形,底部直径为400 μm,高度为850 μm。壳层丝素蛋白用罗丹明标记,核层用FITC标记,在共聚焦显微镜下可明显观察到红色荧光包裹绿色荧光。同时通过元素映射分析针尖的横截面,可以观察到壳层拥有丰富的氮元素,而壳层包围的核心层富集较多的Zn元素,证实了微针的壳核结构。通过穿刺明胶凝胶块,可以观察到FITC标记的PVA层进入凝胶后立即向上扩散,而红色标记的SF层保持不变(图3)。



图3. 核壳MN贴片的表征。A)制备的核壳MN贴片、单个MN、针尖和针底的SEM图像。比例尺从左到右分别代表400 μm、400 μm、20 μm、20 μm。B)用不同荧光标记核-壳MN的亮场和荧光图像,壳标记为红色,核标记为绿色。比例尺,500 μm。C)核壳MN在不同深度的横截面图。标尺,50 μm。D)核-壳MN的EDS元素映射分析。标尺,20 μm。E)明胶水凝胶中核壳MNs的快速分离。比例尺,500 μm。黄色箭头表示绿色荧光标记的NPs从MNs核心快速释放,蓝色虚线表示空气和水凝胶之间的界面。


紧接着,通过力学测试和体外眼球上穿刺,证实了该壳核微针具有较好的力学性能和较高的穿刺效率。核心层进入眼球后,立即扩散,而壳层保持不变。微针的药物释放曲线同样证实了核心层的速释和壳层的缓释(图4)。这种壳层结构可以用来保护核心层,使抗菌纳米粒较多的递送到角膜基质,而不是溶解在角膜表层。



图4. 体外和离体核壳MN贴片角膜植入和药物释放动力学。A)核壳MNs的力学试验。B)核壳MNs贴片在离体大鼠角膜上的应用。比例尺,500 μm。C) ZIF-8 NPs和D) Rapa的体外释放行为。E)离体角膜植入前后核壳MN贴片的亮场图像。比例尺,500 μm。

最后通过在角膜基质内注射金黄色葡萄球菌,实现在大鼠上造细菌性角膜炎模型,然后通过镜下观察眼球,提取角膜细菌,角膜炎临床评分和病理切片来评估壳核微针的治疗效果(图5)。相比于其他组,壳核微针不仅在较短时间(5天)内杀死了细菌,抑制了角膜炎症,并且减少了角膜新生血管的发生,这得益于壳核微针较高的递药效率和雷帕霉素的长效缓释能力。我们还发现空白MNs在老鼠观察期间没有造成任何损伤,也没有加重角膜炎的发展,证明了MNs的安全性




图5. 核壳MNs贴片治疗细菌性角膜炎的疗效观察。A)处理过程示意图。B)角膜炎大鼠经Ag@ZIF-8滴剂、Ag@ZIF-8与Rapa滴剂混合、空白MNs、Ag@ZIF-8治疗后的眼球照片原子核-壳层原子。以健康大鼠眼为阳性对照,未处理的模型大鼠眼为阳性对照。绿色箭头表示角膜中生成的血管。比例尺,2mm(上)和400 μm(下)。C)第5天各组大鼠角膜提取的细菌涂板。比例尺,2.5厘米。D)各组细菌菌落的定量。E)临床各组大鼠的角膜炎得分。F)各组大鼠角膜H&E染色。标尺, 200 μm。


结论:在这项工作中,我们设计了一种具有核-壳结构的眼部微针贴片,用于协同治疗细菌性角膜炎。这种微针贴片含有pH响应性Ag@ZIF-8 NPs和抗炎抗血管生成的药物(即Rapa)。在角膜植入后,由于泪液快速溶解可溶层,核壳MNs可以迅速从贴片背衬中分离并嵌入角膜。MNs植入后,Ag@ZIF-8 NPs从核心层扩散,随后在感染角膜的酸性环境中发生响应性降解,通过释放金属离子(Zn2+、Ag+)发挥抗菌活性,促进角膜上皮细胞迁移。同时,由天然材料(即SF)组成的可降解外壳使Rapa缓慢释放,从而实现长效抗炎和抗角膜血管生成。由于有益的程序性药物释放特性,单次给药核壳微针贴片在细菌性角膜炎大鼠模型中实现了*的协同抗菌、血管抑制和抗炎效果,为细菌性角膜炎的治疗提供了一种有前景的方法。