2024年9月28日，来自中国的研究团队在国际知名期刊「Journal of Nanobiotechnology」（IF：10.2，中科院生物学1区TOP）发表题为「Responsive porous microneedles with riboflavin ocular microinjection capability for facilitating corneal crosslinking」即「具有核黄素眼部微注射能力的响应性多孔微针，用于促进角膜交联」的研究论文。研究认为所开发的响应性多孔微针能够持续将核黄素输送到角膜基质中，具有光热响应性可控制核黄素释放，与传统方法相比具有微创和精确给药的优势，在交联手术中表现出色，有望成为临床药物递送的微创方法。
本研究由复旦大学附属眼耳鼻喉科医院与东南大学生物科学与医学工程学院、南京鼓楼医院共同完成。复旦大学附属眼耳鼻喉科医院为通讯作者单位。复旦大学附属眼耳鼻喉科医院眼科 Xiaojun Hu 博士为第一作者，复旦大学附属眼耳鼻喉科医院周行涛教授及李美燕教授、东南大学赵远锦教授为通讯作者。
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核黄素-5-磷酸（核黄素）是角膜交联（CXL）中最常用的光敏剂。但将其有效递送穿过角膜上皮屏障进入基质却具有挑战性。在本文中，研究团队介绍了一种具有眼部微注射能力的新型响应性多孔微针，可控地将核黄素输送到角膜内以促进 CXL。微针贴片由聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）、氧化石墨烯（GO）和载核黄素的明胶组成。在通过坚硬多孔的明胶针尖穿透角膜后，PNIPAM/GO 水凝胶中间层的光热响应特性可实现凝胶在近红外光的刺激下收缩，随后可控制核黄素在体外和体内从背衬层释放到角膜基质部位。基于微针系统，该研究团队已证明这种微注射技术在兔圆锥角膜模型中表现出优于传统上皮注射方案的核黄素递送能力和治疗效果，具有微创性和精准给药等优点。因此，研究团队认为具有核黄素眼部微注射能力的反应性多孔微针有望用于临床角膜交联，而无需上皮清创。
圆锥角膜（KC）是一种角膜扩张疾病，其特征是角膜逐渐变薄和变陡，会导致视力受损。角膜交联（CXL）是一种广泛应用的治疗圆锥角膜的有效方法，以核黄素 - 5 - 磷酸盐（核黄素）作为光敏剂。在紫外光照射下，核黄素通过在胶原单体之间形成交联来增加胶原刚度，从而维持角膜生物力学稳定性和结构刚性。当前临床标准的 CXL 治疗方案是德累斯顿方案，该方案需要在核黄素给药前去除角膜上皮，因为角膜上皮具有紧密连接的疏水屏障，而核黄素具有亲水性。然而，上皮去除策略可能导致术后持续性上皮缺损、角膜混浊和眼部感染等问题。上皮保留（epi - on）的方法也有发展，比如利用化学增强剂来松弛上皮紧密连接、离子电渗疗法以及飞秒激光结合超声透入疗法等，但这些方案存在有效性低、与热相关的并发症以及缺乏长期效果等局限性。微针是一种新的药物递送系统，具有微米级的针和支撑基底，能够靶向和局部封装及输送药物、肽、蛋白质、核酸、纳米颗粒等。它可以微创穿透角质层，为精确的经皮输送到目标局部部位建立通道，在多种疾病治疗中显示出有前景的治疗效果。然而，先前报道的微针通常存在溶解过程缓慢且缺乏特殊设计结构的问题，这可能阻碍在角膜交联过程中像核黄素这类化合物的快速高效递送。基于此，研究团队开发了一种具有核黄素眼内微注射能力的响应性多孔微针，以解决核黄素通过角膜上皮屏障高效递送到基质的难题，促进角膜交联（CXL）治疗圆锥角膜（KC）。
1.材料与制作：购明胶、NIPAM 等材料，先溶明胶注模，经冷冻、冻干成针尖，加 PNIPAM 和 GO 混合物聚合，再加载核黄素明胶作背衬层制微针。
2.性能测试：光热性能用近红外照射测温度；机械性能用系统测强度；生物相容性体外细胞与浸出液共培养，体内评估角膜穿透及影响；药物释放测有或无近红外照射时核黄素释放量。
3.动物模型：兔角膜上皮去除用胶原酶处理建模型，分三组用不同方法输送核黄素交联治疗，术后评估并对角膜染色观察组织学变化。
微针结构与性能：成功制作出具有三个层次结构的微针，包括坚硬多孔的明胶针尖、光热响应性的 PNIPAM/GO 水凝胶中间层和载有核黄素的明胶基底，尺寸约为高 400μm、宽 250μm、针尖间距 450μm。确定了 500μg/mL 的 GO 浓度和 0.75W/cm² 的近红外功率为优化的光热条件，在此条件下，水凝胶在近红外照射下收缩，温度升高时溶胀比下降，且 GO 具有良好的光热稳定性。
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图：多孔微针贴片的制备和形态示意图：a）微针成型工艺示意图；b - c）微针贴片的数字图像和放大图像；d）用异硫氰酸荧光素（FITC）标记的明胶（顶部）和罗丹明红标记的聚（N-异丙基丙烯酰胺）/氧化石墨烯（PNIPAM / GO）（底部）制成的微针尖端的荧光图像；e - g）微针贴片的扫描电子显微镜（SEM）图像；比例尺：（b）中为400μm，（c）和（d）中为200μm，（e）和（f ）中为50μm，（ g）中为10μm
核黄素释放与微针机械强度：通过近红外激光照射可控制核黄素释放，照射时微针能将液体泵到针尖，停止照射后恢复，且在体外和体内实验中，近红外照射时角膜中的核黄素浓度更高，释放更快。随着明胶浓度增加，微针机械强度增加，40% 明胶浓度时可穿透角膜。
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图：(a)近红外（NIR）控制微针贴片药物释放过程示意图；(b)开启和关闭NIR时捕获核黄素释放的代表性数字图像；(c)开启NIR组和关闭NIR组角膜中核黄素浸润的比较；(d)在0.4％琼脂糖中有NIR（上）和无NIR（下）时核黄素的时间依赖性释放模式；(e)微针轴向机械力检测示意图；(f)不同浓度微针的位移-力曲线；(g)不同浓度针力的比较；(h)微针插入后对体外角膜的HE染色；(i)微针在体内应用于大鼠角膜的说明；(j)交联后角膜的致密结构。生物相容性：体外实验中，不同浓度 PNIPAM 和 GO 的微针浸出液对 HCEC 和 HK 的细胞增殖和形态无显著影响；体内实验中，微针穿透角膜后，上皮在 24h 内恢复，内皮结构和细胞密度无明显变化，且微针对心脏、肝脏、脾脏、肺和肾等主要器官无组织学影响，体外溶血测试也表明微针材料具有良好的生物相容性。![]()
图：微针贴片体外和体内的生物相容性评价：a）培养72小时后人角膜细胞和人角膜上皮细胞的活/死染色（n =3）；b - c）24小时、48小时和72小时的人角膜细胞和人角膜上皮细胞的CCK8检测（n =6）；d）微针插入后及24小时后恢复的裂隙灯图像（i-iii表示微针（MN）穿透上皮，iv-vi表示24小时内上皮恢复）（n =3）；e）微针插入前后角膜内皮的体内角膜共聚焦图像（n =3）；f）插入24小时后角膜的TUNEL检测（n =3）；比例尺：（d）中为 2 mm，（a）和（f）中为 100 μm， （e）中为 50 μm。
治疗效果：在兔角膜扩张模型中，与 epi-on 和 epi-off 组相比，微针组在术后角膜水肿、透明度、上皮修复、角膜曲率和厚度等方面表现更好，交联后的角膜生物力学性能更强，胶原纤维更紧密，且 TUNEL 阳性细胞数更少。
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图：兔角膜扩张模型交联评价时间线和结果。（a）角膜扩张模型建立和体内交联（CXL）评估的操作程序；（b） 1天和1周后裂隙灯检查交联情况；（c）使用三种核黄素输送方案对角膜进行的SD-OCT；（d） 1周前和1周后使用三种核黄素输送方案对角膜进行的代表性Pentacam图像；e - f）角膜条带的生物力学特性；g）1天和1周前和1周后中央角膜厚度比较；h）1周前和1周后最大角膜曲率比较。![]()
图：术后角膜的组织学和形态学表现。a ) H&E 染色和苦味酸红染色，b ) 角膜 TUNEL 检测，c ) 角膜前后基质和内皮的共聚焦显微镜检查，d - e ) 交联后胶原体积和角膜细胞凋亡的量化。成功开发了一种具有核黄素眼内微注射能力的响应性多孔微针，其三个层次结构可实现核黄素持续递送到角膜基质，光热响应性PNIPAM/GO 可控制和加速核黄素释放，有效地解决了先前微针技术溶解过程缓慢和缺乏专门设计结构的局限性。与传统交联方案相比，该微针系统具有微创和精确给药的优势，在交联手术中可增强角膜生物力学性能、加速术后恢复和使胶原纤维致密化，是一种有潜力的临床眼部药物递送方法。
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图：使用具有核黄素眼部微注射能力的响应性多孔微针进行角膜胶原交联的示意图。
本研究成功开发的响应性多孔微针为角膜交联治疗带来新突破。通过创新的微针结构和独特性能，解决了核黄素递送难题，在动物模型中展现出卓越疗效和良好生物相容性。与传统方法相比，其微创和精确给药优势显著，为临床角膜交联治疗提供了更优选择。未来研究可进一步探索其在更多眼部疾病治疗中的应用，有望改善更多患者的眼部健康。
本文文献：
Hu X, Kong B, Wang Y, Zhao Y, Li M, Zhou X. Responsive porous microneedles with riboflavin ocular microinjection capability for facilitating corneal crosslinking. J Nanobiotechnology. 2024 Sep 28;22:588. doi: 10.1186/s12951-024-02851-4. PMCID: PMC11438091.
