J Control Release: 可注射自组装多肽水凝胶作为玻璃体替代物的研究

爱

学

术

爱

生

活

玻璃体切除术是治疗严重玻璃体视网膜疾病的关键手段，传统的玻璃体替代物填充后面临生活质量较差、术后并发症、需要二次手术取出等问题，亟需找到理想的替代材料。近日，湖南大学生命医学交叉研究院史俊峰团队联合中南大学湘雅二医院眼科李芸团队研发出一种可注射式自组装多肽水凝胶（3E-OX），其具有出色的光学性能、生物相容性、物质交换能力以及结构稳定性，有望成为新一代玻璃体替代物。相关成果以“Injectable self-assembling peptide hydrogel as a promising vitreous substitute”为题发表于Journal of Controlled Release杂志。

玻璃体视网膜疾病是常见的致盲性眼病，玻璃体切除术是其主要的治疗方式。手术切除眼内玻璃体后，必须注入替代物以维持眼内结构、支撑视网膜复位并恢复视觉功能。理想的玻璃体替代材料需具备与天然玻璃体类似的光学特性、粘弹性、代谢交换性和良好的生物相容性，但现有的替代材料如乳酸林格氏液（LRS）、膨胀气体、硅油（SO）等各自存在缺陷。例如LRS支撑性能不足、膨胀气体需要患者长时间保持俯卧位的特定姿势、长时间硅油填充引发高眼压、白内障需要二次手术取出等。

近年来，自组装多肽水凝胶因其高含水量和优异的光学透明性逐渐成为玻璃体替代物的热门候选材料，通过合理设计，多肽水凝胶可以具有与天然玻璃体相似的结构和功能。基于前期研究成果，本团队设计了两种不同电荷的可注射自组装多肽水凝胶（带正电荷的3K-OX和带负电荷的3E-OX），并从物理结构、光学特性、物质交换能力和生物相容性等多个方面进行深入探讨，系统分析了凝胶的理化性能，初步验证了其替代兔眼玻璃体的可行性。

      首先，作者在体外对两种多肽水凝胶进行了理化特性表征以及生物相容性评价。通过在肽链N端引入带电的谷氨酸（负电荷）和赖氨酸（正电荷），分别得到3E-OX和3K-OX两条多肽，其形成双硫键后在多肽序列的芳香基团的π-π堆积作用下自组装，在pH 7.4的生理条件下形成透明、稳定、可注射的水凝胶。该凝胶在400-800 nm波段具有接近天然玻璃体的高光学透过率，且折射率与玻璃体相近，表明其对光学成像质量影响较小；流变学实验显示水凝胶的储能模量（G'）大于损耗模量（G"），符合生物力学需求。在剪切作用下，凝胶表现出良好的流动性，后又迅速恢复成凝胶状态，表明其具有优异的注射性，可帮助实现微创眼内注射。细胞毒性测试和3D细胞培养实验显示3K-OX具有一定的细胞毒性，而3E-OX在ARPE19、MIO-M1和NHDF细胞系中均具有良好的相容性，因而被选为进一步的研究对象。

       通过透射电镜观察发现，3E-OX水凝胶形成了纳米纤维网络结构，与天然玻璃体的多孔网络相似，这些纳米孔是允许物质交换的重要条件。因此，本研究进一步使用荧光素钠染料来模拟玻璃体中的分子扩散过程，并发现临床常用的硅油不允许任何物质进行交换，而3E-OX水凝胶允许小分子物质快速吸收与释放，大分子物质则相对缓慢，高度符合天然玻璃体的结构特性，值得进行下一步体内研究。

在新西兰白兔玻璃体切除模型中，作者分别将0.5 wt%的3E-OX、0.5 wt%的3K-OX、乳酸林格氏液、硅油注入兔眼玻璃体腔内，随即进行30天的兔眼结构与功能的监测。研究发现，与硅油相比，多肽水凝胶通过23G切口注射时的阻力更小、操作更简便。术后第一周，带正电荷的3K-OX水凝胶组观察到眼压升高、眼内炎症反应；相比之下，LRS、SO和3E-OX组均未观察到明显异常表现，玻璃体腔内澄清透明、眼底清晰可见。

随后，作者通过B超、光学相干断层扫描（OCT）及血管成像（OCTA）、组织HE染色等辅助检查进一步评估了各组的眼部结构变化。结果表明该水凝胶能够支撑眼球壁、维持视网膜正常形态；3E-OX组兔眼视网膜厚度、视网膜血管密度、视网膜血管管径、脉络膜厚度均与LRS、SO组相比无统计学差异。

最后，作者采用全视野视网膜电图（ERG）深入评估了各组视网膜微循环和视觉功能。结果表明各组视网膜功能均正常，3E-OX水凝胶与临床常用玻璃体替代物一样具有良好的眼内安全性和视网膜耐受性。以上结果表明，3E-OX水凝胶在兔眼玻璃体腔内的填充可以提供至少15天的支撑效果，而这也是促进视网膜自我修复过程的关键时点。

本研究创新性地通过电荷调节水凝胶的生物相容性和免疫原性，证明负电荷减少了眼内组织的炎症反应，提升了材料的眼内耐受性；并开发了一种具有三维网状结构和高含水量新型的自组装多肽水凝胶3E-OX，这种多肽水凝胶具有与天然玻璃体高度相似的特征，表现出优异的光学清晰度、多孔结构和高渗透性，有利于代谢交换和生物相容性。与传统临床替代物和合成聚合物水凝胶相比，水凝胶3E-OX具有以下几个明显的优点：源于氨基酸组成具有的优良生物相容性；剪切变稀的恢复特性，允许通过眼部小切口注射，同时保持注射后最佳的机械强度；简单的水凝胶制备，涉及多肽溶液与生理缓冲液的直接混合；允许小分子进行物质交换、物质代谢的高渗透性；完全无害的降解，避免了去除未反应单体、掺杂剂离子和残留溶剂的风险和挑战。且本研究开创了使用OCTA对无色素兔进行视网膜微循环检测的先河，为未来的玻璃体替代物研究提供了可靠的无创评估手段。这一创新方法可实时监测眼内植入物对视网膜血管系统的潜在影响，为进一步开发安全有效的替代材料奠定了基础。

        综上所述，本研究通过表征水凝胶3E-OX的理化性质，深入研究了其在眼内应用的潜力，为玻璃体替代领域带来了新的突破。其优越的光学特性、生物相容性和力学性能，结合便捷的注射性和剪切恢复特性，为眼科手术提供了一种具有潜力的微创玻璃体替代材料。结合OCTA技术的创新应用和全面的眼内安全性验证，本研究为未来玻璃体替代物的开发提供了坚实的理论和技术基础。3E-OX有望成为一种低风险、高效率的玻璃体替代物，推动眼科材料的进步，提升患者的治疗体验和术后生活质量。

       中南大学湘雅二医院博士生蔡瑜婷和湖南大学硕士生向雅瞳为本论文的共同第一作者，史俊峰教授、李芸主任医师和南昌大学董会雷研究员为共同通讯作者。本研究获得国家自然科学基金、湖南省自然科学基金等项目的支持。值得注意的是，关于治疗眼科疾病的多肽药物的开发思路和理化性质研究，两个团队开展了长期而紧密合作，此前的研究成果于2023年9月发表在Small上（https://doi.org/10.1002/smll.202302765）。

       李芸，主任医师，博士生导师。中南大学湘雅二医院眼科中心副主任（主管医疗）、儿童眼病专科主任，湖南省眼科医疗质量控制中心副主任。亚太玻璃体视网膜协会（APVRS）终身会员，中华医学会眼科学分会全国青年学组、视觉生理学组委员。美国康奈尔大学（眼科学）、耶鲁大学（医学伦理学）访问学者，湖南省卫生健康高层次人才青年骨干人才。四入非洲，两任中国赴塞拉利昂“光明行”医疗专家组组长。主持国家自然科学基金委面上、青年基金等六项基金，近三年发表第一作者或通讯作者SCI论文10篇，第一发明人获批专利4项。高水平出版社主编/副主编专著3本。教育部研究生学位论文评审专家，国家自然科学基金函审专家。

       史俊峰，湖南大学生命医学交叉研究院教授/博士生导师，国家高层次青年人才。博士毕业于 Brandeis University (2009-2015)，随后进入美国国立癌症研究所(NIH/NCI)从事博士后工作。2019年5月加入湖南大学。长期从事多肽医药工程的研究工作，在Nat Nanotechnol.、J. Am.Chem.Soc、Angew.Chem.In.Ed.等国际高水平杂志上发表论文70余篇，引用次数过5500次，成果多次被美国领域专业媒体C@EN报道。申请及获批的专利12个，其中PCT专利2个，获授权美国专利1个。目前主持包括国家自科基金、湖南省自科基金、生物医药公司横向项目10余项。

不管你怀揣怎样的梦想，只要合理规划，刻苦坚持，就一定可以取得成功。

有志者事竟成！