仅仅是开始,纳米技术在视网膜疾病领域的应用

文摘   2025-01-25 13:00   北京  

纳米生物技术在视网膜诊断、药理和外科手术以及药物输送方面大有裨益(表 1 和表 2),再生医学也从纳米科学中受益。视网膜非常适合纳米生物技术创新,因为其治疗和手术分别在微克和微米范围内,加上其相对的免疫特权和可及性。本篇文章,我们将回顾纳米技术在视网膜领域的现状。

表1.视网膜纳米诊断技术研发管线


诊断


当今的视网膜成像虽然与几十年前使用的工具相比,进步巨大,但仍存在一些缺陷。例如,OCT 对新生血管结构的特异性可能受到邻近血管结构的光学伪影的限制。此外,OCT血管造影无法直接显示渗漏。纳米技术可能是克服这些局限性的一项有用创新。
研究人员正在探索金纳米粒子 (AuNP) 作为 OCT 造影剂的效用,因为它们足够小(直径近3µm),可以穿过视网膜和脉络膜血管,波长吸收效率高于传统血管造影染料。1例如,研究人员在检查兔子皮肤时使用AuNP来增强边界对比度并增加OCT信号。铁钛二氧化纳米粒子也被研究作为扫频源 OCT 中的可行造影剂。2
原子力显微镜(Atomic force microscopy)可以创建视网膜细胞、细胞器膜和视紫红质分子等纳米结构的 3D 表面轮廓。3利用这项技术,通过这种技术,研究人员发现视紫红质以二聚体和准晶体的形式排列,并且认识到视紫红质二聚体是更高阶结构的基本组成单位。3

另一种正在研究中的工具——光声显微镜(photoacoustic microscopy),利用高分辨率识别内源性色素(如血红蛋白和黑色素),当与OCT结合时,可以增强脉络视网膜区域氧饱和度测量的定位能力。4,5

类似晶体管的电路系统,通过结合功能化的碳纳米管和金纳米阵列(尺寸小于10纳米),可以通过改变表面电导率来检测单分子DNA和其他生物分子。6同样,纳米孔DNA测序利用DNA碱基依次通过2纳米纳米孔时电导率的变化来实现检测。7通过在分子水平上提高诊断灵敏度,这些下一代测序技术未来可能会取代耗时的异地分析,实现快速的即时检测。


治疗:药物、输送系统和靶向


纳米级治疗手段通过内吞作用成功穿过血脑屏障,且不会引发病毒载体常见的炎症反应。自组装纳米颗粒被涂层处理形成具有缓释特性的聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)纳米颗粒。8一项研究发现,嵌入白藜芦醇的可降解生物聚合物聚己内酯(PCL)表现出抗氧化和抗炎特性,其表面涂有二甲双胍(已知可抑制脉络膜新生血管)以及能够提高视网膜渗透性的穿膜肽,经玻璃体内注射后渗透能力提高了15倍。9
局部用纳米颗粒因其高表面积与体积比具有较高效力。10在一种年龄相关性黄斑变性(AMD)模型中,氨基己酸-薯蓣皂苷纳米颗粒制剂显示出抗血管生成活性且细胞毒性低。11同样,研究表明,负载塞来昔布的聚邻酯纳米颗粒具有抗炎和抗增殖特性。12此外,另一项研究发现,抗VEGFR2酪氨酸激酶抑制剂阿帕替尼的纳米颗粒可以穿透角膜并靶向视网膜细胞。13

树枝状大分子是直径小至1.5纳米的高度分支分子,能够实现多种药物的递送及有效的持续释放。基于树枝状大分子的全身性递送已证明其在受损细胞中能够选择性地被视网膜色素上皮细胞(RPE)被动吸收类固醇,从而抑制炎症和脉络膜新生血管形成。14


手术辅助工具


研究人员探索了利用银纳米颗粒涂层的手术器械,其具备抗感染和抗氧化特性。15此外,有研究者设计了纳米管镊子,通过将两根碳纳米管融合形成间距为10纳米的结构。16另一些研究提出使用曲率半径为20纳米的刀刃直接修复神经纤维轴突,并通过电融合技术将移植的轴突段附着在受损轴突上。17
研究发现,透明质酸涂层的金纳米颗粒(AuNPs)可在体内聚集于玻璃体混浊区域。Sauvage等人研究表明,低能量纳秒激光脉冲可通过加热金纳米颗粒在玻璃体中产生纳米气泡,从而以较低能量水平消融玻璃体混浊,与Nd:YAG玻璃体消融术相比,降低了并发症的风险。18

表2. 潜在的视网膜纳米治疗和治疗诊断技术


纳米假体


目前最小的纳米级晶体管仅1纳米长,二极管甚至可以小至单分子大小。这一技术有望提高现有视网膜下植入物的分辨率。例如,研究人员正在探索将聚(3-己基噻吩)纳米颗粒注入视网膜下空间,通过模拟光感受器的空间分布形成一个对光敏感的界面。19另一些研究聚焦于将碳纳米管假体与神经组织整合,以引导神经修复过程中的突触发育,这一技术可能帮助因外伤或视网膜退化而受损的患者恢复功能。20这可以帮助外伤或视网膜退化患者。


再生纳米生物技术


未来的治疗方法不仅能保护视网膜组织,还将修复并再生其结构和功能。例如,金纳米颗粒(AuNPs)具有相对惰性,同时具备内在的抗炎和抗血管生成特性。21 纳米氧化铈是另一种强大的活性氧清除剂,能够促进并调节健康的血管生成,同时表现出抗VEGF的作用。22地塞米松结合树枝状大分子显示出对受损视网膜Müller胶质细胞的选择性亲和性,可在哺乳动物中促进类似干细胞的再生特性,同时最大程度降低全身毒性的风险。23
碳纳米管不仅可用于诊断,还可作为自由基清除剂,24潜在减少与湿性AMD进展密切相关的氧化应激。同样,富勒烯本身具有抗氧化和抗炎特性,并在治疗关节炎中展现出前景。25
玻璃体内氧气纳米气泡已被用于向视网膜内层输送氧气,从而避免缺血性损伤。26此外,铂纳米酶在大鼠AMD模型中被用来对抗光诱导的感光细胞退化和炎症。27
磁性纳米颗粒被应用于眼内的靶向干细胞递送。Yanai等描述了一种技术,将大鼠间充质干细胞磁化后通过静脉注射,再通过将磁体放置在眼眶中诱导其迁移并定位于视网膜内外层。28
此外,研究人员正在探索由明胶、壳聚糖、胶原蛋白和透明质酸制成的天然纳米纤维支架。这些支架已被证明能促进视网膜色素上皮(RPE)细胞的生长并释放再生因子,其细胞黏附性优于合成支架。29最近,通过静电纺丝技术(将聚合物溶液挤出以生成纳米纤维),成功制备了可培养RPE细胞的纳米纤维支架,并有可能用于后续视网膜下移植。30


未来展望


纳米技术在提高多种基因治疗的成功率方面展现出巨大潜力。例如,精心设计的无机纳米颗粒(如聚合物、硅材料和有机金属复合材料)能够克服血视网膜屏障、快速降解以及基因和细胞毒性的挑战。31研究人员还通过各种蛋白编码基因(如LEFTY2)诱导,将纤维母细胞或单核血细胞转化为iPSC来源的RPE细胞。32此外,Müller胶质细胞已被证实可通过Sonic Hedgehog基因(SHH)转分化为杆状光感受器。33靶向mRNA递送至RPE、Müller胶质细胞和神经视网膜已利用脂质纳米颗粒实现。34,35激光增强技术(光孔化技术)是一种新颖的递送手段,可精确将基因载脂质纳米颗粒或其他非病毒纳米颗粒递送至视网膜退化区域。36,37
外泌体是一种双层纳米囊泡,大小可小至30纳米,正逐渐展现其作为疾病生物标志物、细胞间通信媒介以及药物递送载体的潜力。38研究表明,外泌体可在RPE细胞和视网膜胶质细胞间运输microRNA,这对于调节AMD和糖尿病视网膜病变等病症中视网膜的衰老和细胞凋亡具有重要意义。39
科学家已成功利用外部磁场引导纳米级磁性微型推进器穿过玻璃体腔,并将治疗剂递送至视网膜。这种纳米机器人有望进一步研发,直径可缩小至2纳米,从而为精准治疗提供更高效的解决方案。40,41

这些图像展示了能够穿越玻璃体腔的微型推进器:(A) 扫描电子显微镜图像,(B) 能量选择性背散射扫描电子显微镜图像。比例尺为500纳米。40
研究者还探讨了结合神经滋养因子(neurotrophin nerve growth factor)的聚丙烯酰胺纳米颗粒,其对视网膜杆状和锥状细胞具有亲和性,可预防视网膜细胞凋亡。42同样,壳寡糖涂层的纳米氧化铈在细胞AMD模型中表现出抗血管生成、抗炎和抗凋亡特性。43
研究发现,脂质纳米颗粒结合靶向肽和信使RNA(mRNA)可以穿越视网膜屏障,有效递送至光感受器细胞——这是设计遗传性视网膜疾病基因疗法的关键目标之一。44
Simna等人最近利用纳米颗粒递送全长人视紫红质基因,成功在小鼠杆状光感受器中实现光感受器的工程化,这在未来可能用于治疗视网膜色素变性。45而Kwon等人合成了类黑色素纳米颗粒,可作为小鼠RPE细胞的人工黑色素替代物。46

仅仅是开始


截至目前,我们仅仅开始探索了纳米技术在视网膜治疗和再生应用中的潜力,还有太多的方向和研究并未开始进行。我们期待着这一研究领域将引领我们走向新的突破与机遇


参考文献

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