导语
青光眼是一种视退行性神经病变，由氧化应激和机械应激的恶性循环驱动。目前的临床治疗主要是通过降低眼压（IOP）来减轻机械应力。由于氧化应激没有受到较好控制，机械应力的复发和恶化不可避免。一氧化氮（NO）和一氧化碳（CO）分别是内源性的血管舒张和抗炎的气体信号分子。越来越多的证据表明，NO和CO之间存在复杂的相互作用，调节二者的生物学角色就像两人跳华尔兹。基于此，作者提出了青光眼的“气体华尔兹治疗”概念，即释放NO以降低IOP，释放CO释放以抑制氧化应激（图1）。
图1 气体华尔兹疗法同时靶向机械应激和氧化应激以治疗青光眼。IOP，眼压；VD，血管调节失调。（来源：JACS）
前沿科研成果
近日，华东师范大学罗潇研究员、复旦大学附属眼耳鼻喉医院雷苑研究员、华东理工大学杨有军教授合作，在气体治疗方面取得重要进展。工作得到了华东师范大学钱旭红院士的悉心指导。华东理工大学博士生陈晓华，复旦大学附属眼耳鼻喉医院博士生刘佳敏和博士生陈铭为文章的第一共同作者。
该文报道了第一个光触发级联NO/CO供体CND570。NO/CO的级联释放伴随着罗丹明染料的释放，该染料的明亮荧光可作为气体释放的自校准机制。CND570 具有良好的角膜通透性，可作用于房水流出通路。此外，绿光照射触发了青光眼小鼠眼部组织中CO和NO的释放，在体内外模型中均可促进可溶性鸟苷酸环化酶（sGC）的上调，同时显著降低了与青光眼相关的氧化应激。NO和CO的气体华尔兹治疗是青光眼治疗的一种潜在新策略。相关研究成果发表于Journal of The American Chemical Society上。
图2 CND570的光解机理和光谱追踪（来源：JACS）
CND570光解释放NO和苯胺基自由基（1），通过自由基共轭消除促进1的开环，进一步产生酰基自由基（2）。2经由熵驱动释放CO和苯甲酰自由基3。在有氧条件下，3被氧化成明亮的罗丹明染料（CNR）（图2）。此外，为了便于评估NO和CO在青光眼治疗中的各自贡献，还开发了罗丹明基的CO供体（COD）和NO供体（NOD）作为单一气体供体对照（图4）。
图3 CND570在水介质中光解释放NO和CO的机制验证。（来源：JACS）
CND570可在365 nm-650 nm的光照下被激活释放NO和CO，并生成 CNR染料。NO的释放利用电子顺磁共振光谱（EPR）和NO荧光探针DAN检测， NO产率约为80 ± 2.6%。利用气相色谱（GC）和CO荧光探针COP490对CO的释放进行确证，CO产率约为78±3.0%。这些实验表明CND570在释放NO和CO的同时会伴随荧光染料罗丹明的释放，作为气体释放的自校准标记，用于实时监控气体释放的量和速率，为治疗的精准化提供保障。
图4 单一气体供体分子COD和NOD的光激活机制及光谱追踪。（来源：JACS）
CND570在人小梁网（HTM）细胞和角膜细胞中均能被绿光激活（图5）。共定位实验结果显示，CND570定位在溶酶体。利用NO荧光探针DAF-FM DA和CO荧光探针COP490对CND570在细胞内光激活释放NO和CO的能力进行了确证，证实了CND570是一种可见光触发供体，可用于NO和CO的高时空分辨、共定位释放。
图5 CND570在人小梁网（HTM）细胞内被绿光激活释放NO、CO和罗丹明荧光染料 。（来源：JACS）
三种气体分子供体CND570、COD和NOD具有较好的生物兼容性（图6）。在14天内，通过裂隙灯检查和荧光素钠染色显示角膜上未见到水肿，结膜无炎症，眼周围组织无炎性分泌物，表明未发生角膜损伤。H&E染色结果表明角膜上皮内皮细胞在形态上保持完整，基质胶原纤维排列整齐，流出组织中未检测到病理变化。局部滴加给药CND570并施加光照，可观测到供体光解产物罗丹明CNR在角膜和小梁网细胞中发出的明显信号，证实CND570可有效地渗透到眼表面，到达眼前段TM/SC区域。
图6 CND570可靶向房水流出路径并产生明显降眼压效果。（来源：JACS）
CND570通过光诱导释放NO和CO显著降低IOP。在C57BL/6（WT）小鼠中，治疗2小时后，CND570组的眼压显著降低了1.67 mmHg，单一供体分子COD和NOD分别使眼压降低0.98和1.43 mmHg。在eNOS-/-小鼠（高眼压性青光眼的小鼠模型），COD和NOD的ΔIOP分别为-1.76 mmHg和-1.71 mmHg，与之相比，CND570的ΔIOP降低更加显著，为-2.88 mmHg。上述实验表明，在青光眼中，使用NO和CO的气体华尔兹治疗方法比单独使用NO或CO供体更有效。
图7 CND570通过促进sGC表达及降低氧化应急协同治疗青光眼。（来源：JACS）
在HTM细胞、青光眼小鼠TM/SC组织中，CND570、COD或NOD治疗的sGC的表达均上调（图7）。其中CND570中CO和NO的级联释放达到了最高水平的sGC刺激，与COD组或NOD组相比有显著差异。sGC的激活导致cGMP的产生，cGMP进一步诱导TM细胞弛缓和SC细胞的通透性，增强水流出，降低IOP。因此CND570在降低青光眼IOP方面的效果最优。在HTM细胞、青光眼小鼠TM/SC组织中，CND570均表现出对氧化应激的抑制能力。
总之，作者开发了第一个光触发级联NO/CO供体CND570，它在可见光照射下同步释放化学计量的NO和CO及罗丹明染料。CND570显示出良好的生物相容性、角膜穿透能力，可实现NO和CO在TM/ SC区域的光控释放。在体内青光眼小鼠模型中，这种靶向传递NO/CO导致了sGC表达的上调，从而导致了眼压（IOP）的显著降低。同时， TM组织中的氧化应激降低。这是第一个同时针对机械应激和氧化应激的青光眼治疗的例子，突出了“气体华尔兹”治疗相对于传统的单气体治疗方法的显著优势。这些发现为今后制定更有效、更安全的眼病治疗策略奠定了坚实的基础。
论文信息
Green-Light-Triggered and Self-Calibrated Cascade Release of Nitric Oxide and Carbon Monoxide for Synergistic Glaucoma Therapy
Xiaohua Chen, Jiamin Liu, Ming Chen, Jie Zhou, Yuyang Zhang, Xinru Hu, Weixi Geng, Qiyue Mao, Hiroaki Kitagishi, Jinquan Chen, Xuhong Qian*, Youjun Yang*, Yuan Lei*, and Xiao Luo*.
Journal of the American Chemical Society 2024, DOI: 10.1021 / jacs.4c10457
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