分子印迹水凝胶载药角膜接触镜的研究现状

徐江宁 综述 周通 审校

重庆医药高等专科学校，重庆 401331

目前，眼表面给药是主要的眼部给药途径，其药物剂型主要有滴眼液和眼膏剂。其中，60%以上的眼用制剂为滴眼液。由于眼睛的解剖结构和生理功能(眨眼、泪液稀释、泪液洗脱、鼻泪管引流等)，滴眼液的生物利用度不到5%。为了达到足够的药物浓度并保持一定的时间，需要高频率点用高浓度药物。然而，高频率的点眼会降低患者的依从性，而且高浓度的药物通过鼻腔和结膜吸收进入体循环，可能会导致严重的不良反应。载药角膜接触镜能够克服这些缺陷，有望作为新的眼部给药系统。角膜接触镜是一种特殊的眼科医疗器具。载药角膜接触镜，就是利用角膜接触镜作为载体，将特定的药物传递至眼表。

载药角膜接触镜的发展主要依赖于水凝胶角膜接触镜的出现。研究初期，角膜接触镜负载药物的方法是浸泡法，即通过将水凝胶角膜接触镜浸泡在药物溶液中，从而实现对药物的负载，当患者配戴角膜接触镜时，负载的药物就逐渐被释放。这种方法简便易行，并且与滴眼液相比，能够增加药物的生物利用度。然而，其载药量较低，药物释放时间短，通常在1～3 h内完成释放，因此并未应用于临床实践中。在随后的研究中，提高载药角膜接触镜的药物载量以及延长药物释放时间成为了载药角膜接触镜研究和开发的主要焦点。经过几十年的发展，目前已有多种方法能够显著延长载药角膜接触镜的药物释放时间，包括分子印迹技术(molecular imprinting technique，MIT)、引入维生素E屏障、植入载药的纳米载体等。其中，MIT在提高药物装载量、延长药物释放时间以及控制药物释放速度等方面具有明显的优势，并且能够应用于不同种类的药物，因此被认为是提高载药角膜接触镜药物装载量和延长药物释放时间的有前景、通用的方法之一。故此，本文就分子印迹水凝胶载药角膜接触镜的研究进展进行综述。

1 MIT概述

MIT是以特定的目标分子(模板分子)为模板，合成对该分子具有选择识别性能的高分子聚合物的技术。通过MIT制备的高分子聚合物，被称为分子印迹聚合物(molecularly imprinted polymers，MIP)。合成MIP的试剂主要包括模板分子、功能单体、交联剂、引发剂和溶剂(致孔剂)。功能单体与待识别的模板分子发生作用，形成功能单体-模板分子复合物；交联剂与功能单体交联，维持MIP的刚性结构；引发剂用于引发聚合反应；致孔剂用来溶解试剂，并在聚合物网格中产生多孔结构。MIP的制备一般包括3个步骤：(1)形成功能单体-模板分子复合物 根据模板分子选择合适的功能单体，并在致孔剂中使功能单体与模板分子通过氢键、静电、配位或共价键的作用结合形成功能单体-模板分子复合物；(2)进行聚合反应 加入适当的交联剂，在引发剂的作用下引发功能单体进行光聚合或热聚合形成聚合物，从而将功能单体-模板分子复合物固定在聚合物的立体结构中；(3)去除模板分子 采用物理或化学方法将模板分子从所得聚合物中洗脱除去。这样便在原来模板分子所占据的空间位置和结构处遗留下一个三维空穴，该空穴在空间大小、形状和化学作用方面与模板分子相匹配。因此，合成的MIP对模板分子有记忆功能，能够特异性识别和重新结合模板分子。MIP具有构效预定性、特异识别性以及广泛实用性等特点，目前已广泛应用于化合物分离与富集、模拟酶催化、药物手性分离、药物控制释放等诸多研究领域。

2 分子印迹水凝胶载药角膜接触镜

分子印迹水凝胶载药角膜接触镜是采用MIP水凝胶材料制造的角膜接触镜。分子印迹水凝胶载药角膜接触镜保留能对模板药物分子特异性识别和结合的三维空穴，提高角膜接触镜对模板药物的亲和力，减缓药物的扩散速度。为了制备出有效的分子印迹水凝胶载药角膜接触镜，必须考虑到以下几个因素：(1)功能单体的种类 功能单体必须能够通过氢键、离子相互作用、疏水相互作用或共价键等作用方式与模板药物分子发生相互作用。此外，功能单体还必须与水凝胶接触镜的成分相兼容。目前，被用来制备分子印迹水凝胶的功能单体有丙烯酸(acrylic acid，AA)、甲基丙烯酸(methacrylic acid，MAA)、丙烯酰胺(acrylamide，AM)、甲基丙烯酸甲酯(methyl methacrylate，MMA)和N-乙烯基吡咯烷酮(N-vinyl pyrrolidone，NVP)等。通常，同时应用不同种类的功能单体比单一种类的功能单体更能有效控制分子印迹水凝胶的药物释放。(2)功能单体与模板分子的比例(M/T) M/T会显著影响分子印迹水凝胶对模板药物分子的识别与结合能力，M/T太高，过量的功能单体则随意分布在聚合物水凝胶中，使分子印迹水凝胶具有较高的非特异性结合能力，选择性能降低；M/T太低，则没有足够的功能单体与模板药物相结合，从而使结合能力下降。因此，为了实现对药物特异性识别与有效的结合，必须要有合适的M/T。(3)交联剂浓度 较高的交联剂浓度能够提高MIP的交联度，增强聚合物的刚性，有利于保持识别空穴的稳定性。但是，较高的交联度会降低水凝胶角膜接触镜的透明度、含水量和柔韧性，从而影响患者配戴的舒适性。相对于一般的MIP而言，分子印迹水凝胶接触镜的交联程度要低很多。在制备分子印迹水凝胶接触镜时，交联剂浓度最好控制在5%以内。

3 分子印迹水凝胶载药角膜接触镜在传递眼科药物中的应用

目前，分子印迹水凝胶载药角膜接触镜已成功应用于多种眼科药物传递，包括β-受体阻断剂(噻吗洛尔)、抗菌药(诺氟沙星、环丙沙星)、组胺受体拮抗剂(富马酸酮替芬)、非甾体类抗炎药(双氯芬酸钠)等药物。但目前相关研究多停留在体外研究，只有少数为在体研究(表1)。在体、体外研究均表明，与非印迹水凝胶接触镜相比，分子印迹水凝胶接触镜能够显著增加药物装载量和延长药物释放时间。

表1 分子印迹水凝胶载药角膜接触镜的在体研究接触镜组成直径和厚度传递药物动物模型药物负载量(μg/lens)泪液中药物有效浓度保持时间参考文献poly(DEAA-co-MAA-co-EGDMA)直径:14 mm;中央厚度:80 μm噻吗洛尔白化兔34180 min[21]poly (HEMA-co-AA-co-AM-co-NVP-co-PEG200DMA)直径:11.8 mm;厚度:(100±5)μm富马酸酮替芬新西兰白兔115±1026 h[22]poly (HEMA-co-TRIS-co-AA-co-EGDMA)中央厚度:61-64 μm环丙沙星新西兰白兔角膜炎模型(1 133±264)-(1 509±291)>8 h[23] 注:DEAA:N,N-二乙基-2-丙烯酰胺;MAA:甲基丙烯酸;EGDMA:二甲基丙烯酸乙二醇酯;HEMA:甲基丙烯酸-2-羟基乙酯;AA:丙烯酸;AM:丙烯酰胺;NVP:N-乙烯基吡咯烷酮;PEG:聚乙二醇

3.1 噻吗洛尔

噻吗洛尔是一种非选择性β受体阻断剂，一直是临床上治疗青光眼的主要药物之一。常用的给药方式是噻吗洛尔滴眼液点眼，存在生物利用度低、需要频繁给药等缺点，其应用受到一定的影响。Alvarez-Lorenzo等采用MIT，以二甲基丙烯酸乙二醇酯(ethylene dimethacrylate，EGDMA)为交联剂、偶氮二异丁腈(azobisisobutyronitrile，AIBN)为引发剂、噻吗洛尔为模板分子、MAA或MMA为功能单体合成了poly(HEMA-co-MAA)以及poly(HEMA-co-MMA)水凝胶接触镜；将该水凝胶接触镜分别放置于0.9%氯化钠溶液、磷酸盐缓冲液(pH7.4)和人工泪液中，发现水凝胶接触镜的溶胀行为和对噻吗洛尔的缓释行为均符合Fick动力学模型；以MAA作为功能单体制备的分子印迹水凝胶接触镜能够将噻吗洛尔的负载能力提高到有效治疗水平，并保持适当的释放特征；与非印迹水凝胶接触镜相比，该分子印迹水凝胶接触镜能够显著提高药物装载量和缓释性能。在Hiratani等开展的一项在体研究中，以N,N-二乙基-2-丙烯酰胺(N,N-diethyl-2-acrylamide，DEAA)为骨架单体，MAA为功能单体，噻吗洛尔为模板药物，EGDMA为交联剂制备成直径为14 mm，中央厚度为0.08 mm的分子印迹水凝胶接触镜，并以对应的非印迹水凝胶接触镜和滴眼液为对照组；结果发现，分子印迹水凝胶接触镜的药物负载量为34 μg，明显高于对应的非印迹水凝胶接触镜的21 μg，且噻吗洛尔有效浓度的保持时间比非印迹水凝胶接触镜或滴眼液长2～3倍；此外，兔眼泪液噻吗洛尔浓度-时间曲线下面积是对应的非印迹水凝胶接触镜的3.3倍，滴眼液的8.7倍。

3.2 抗菌药

诺氟沙星和环丙沙星属于喹诺酮类抗菌药物，临床上常用诺氟沙星滴眼剂和环丙沙星滴眼剂治疗细菌感染性眼表疾病。Alvarez-Lorenzo等以诺氟沙星为模板分子，AA为功能单体，EGDMA为交联剂，甲基丙烯酸-2-羟基乙酯(2-hydroxyethyl methacrylate，HEMA)为骨架单体，采用MIT合成水凝胶接触镜；其负载诺氟沙星的能力是对应的非印迹水凝胶接触镜的300倍，并且可以在人工泪液中持续释放药物超过24 h。Kioomars等以环丙沙星为模板分子，MAA为功能单体，EGDMA为交联剂，HEMA为骨架单体合成分子印迹水凝胶接触镜，并在生理盐水和人工泪液中评估其释放特征；研究发现，最优的M/T摩尔比为16∶ 1和20∶ 1，与对应的非印迹水凝胶接触镜相比，合成的环丙沙星印迹水凝胶接触镜能够增加31%～41%的药物负载量，而且药物释放速度更慢，体外抗菌活性更高。伏立康唑是一种咪唑类抗真菌药物，可用于治疗真菌性角膜炎。Huang等构建了包含壳聚糖季铵盐、纳米银、氧化石墨烯和伏立康唑的水凝胶接触镜，并经在体和体外实验均证实该接触镜有较好的抑制真菌作用。Abouelatta等以伏立康唑为模板分子，AM、MMA为功能单体，EGDMA为交联剂合成分子印迹胶原膜，该分子印迹胶原膜较对应的非印迹胶原膜增加了药物负载量，并经在体试验结果表明，与伏立康唑滴眼液相比，生物利用度增加7.53倍。

3.3 富马酸酮替芬

富马酸酮替芬为组胺H受体拮抗药，临床用于治疗变应性结膜炎。Venkatesh等应用MIT合成了能够特异性识别富马酸酮替芬的poly(AA-co-AM-co-NVP-co-HEMA-co-PEG200DMA)水凝胶材料，该材料的光学性能和机械性能与传统角膜接触镜相同。采用该材料制备的角膜接触镜负载富马酸酮替芬的能力比对应的非印迹水凝胶高6倍，其在人工泪液中能持续释放药物达到5 d；该研究还发现采用较多种类的功能单体的分子印迹水凝胶角膜接触镜比采用较少种类的功能单体更能提高药物负载量。Ali等采用一种能够模拟泪液体积、泪液成分以及泪液流速的微流体装置研究药物体外释放动力学，并用该装置证实了具有多种功能单体的分子印迹水凝胶接触镜的良好缓释性能；其以富马酸酮替芬为模板分子，采用MIT合成的分子印迹水凝胶在生理泪液流速下，能够持续释放富马酸酮替芬3.5 d，且释放过程符合零级动力学。在Tieppo等开展的一项在体研究中，通过MIT制备成的poly(HEMA-co-AA-co-AM-co-NVP-co-PEG200DMA)直径11.8 mm、厚度(100±5)μm水凝胶接触镜，能够将新西兰白兔泪液的富马酸酮替芬浓度维持在(170±30)μg/ml，长达26 h。与滴眼剂和对应的非印迹水凝胶接触镜相比，富马酸酮替芬在眼部的平均滞留时间和生物利用度显著增加。应用分子印迹水凝胶接触镜，富马酸酮替芬在眼部的平均滞留时间为(12.47±3.99)h，分别是对应的非印迹水凝胶接触镜和0.035%滴眼剂的4倍和50倍。

3.4 双氯芬酸钠

双氯芬酸钠属于非甾体抗炎镇痛类药物，可用于治疗葡萄膜炎、角膜炎、巩膜炎等炎症，抑制角膜新生血管的形成。Vaughan等应用MIT合成了能够识别双氯芬酸钠的poly(DEAEM-co-HEMA-co-PEG200DMA)水凝胶，其负载双氯芬酸钠的能力和在人工泪液中持续释放双氯芬酸钠的时间分别比对应的非印迹水凝胶接触镜高出2.69倍和4倍。

3.5 其他药物

分子印迹水凝胶载药角膜接触镜除了应用于传递上述眼科药物以外，还被用于传递多种其他药物，如透明质酸、奥洛他定、醋酸泼尼松龙、硫酸多粘菌素B、乙酰唑胺、多佐胺、溴莫尼定、莫西沙星、氟米龙等药物。与对应的非印迹水凝胶接触镜相比，分子印迹水凝胶接触镜能够显著增加这些药物的装载量和延长药物释放时间。

4 存在的不足

虽然有关分子印迹水凝胶载药角膜接触镜的研究取得了很大的进展，克服了对接触镜含水量、透明度、柔韧性等的影响，但仍然还存在着一定的不足，主要包括：(1)载药特异性 通常一种分子印迹水凝胶接触镜只能特异性地负载一种目标药物，而不能同时负载多种药物，这可能会限制其商业化的潜力；(2)技术路线复杂 若要制备出有效的分子印迹水凝胶载药角膜接触镜，必须根据目标药物选择合适的骨架单体种类、功能单体种类和浓度以及交联剂浓度。这需要进行多次实验，才能确定出最佳的组成成分和比例；(3)载药角膜接触镜比较适合眼前节给药，较难实现眼后节给药；(4)药物释放后，接触镜的结构或形状可能会发生变化。

5 结语

早期采用MIT制备的载药角膜接触镜，其厚度和含水量等特性不能满足临床要求。而现在，分子印迹水凝胶载药角膜接触镜克服了这些缺陷，能够具有与商品化的角膜接触镜类似的厚度、含水量、光学性能和机械性能。虽然市面上尚无商品化的载药角膜接触镜，但是根据现有研究成果，可以预测分子印迹水凝胶载药角膜接触镜具有良好的应用前景。今后，需要开展更多的在体实验和临床研究来推动其临床应用，实现对眼科药物的有效传递。

利益冲突

所有作者均声明不存在利益冲突