角膜炎，也被稱為角膜潰瘍，是一種常見的角膜疾病，由細菌、真菌、病毒或變形蟲引起。這種眼部疾病是導致視力喪失的主要原因，據(jù)報道，傳染性角膜炎已成為全球第五大致盲原因。長期佩戴隱形眼鏡是導致了金黃色葡萄菌侵入的主要誘因之一，這種細菌的侵入容易誘發(fā)細菌性角膜炎，其臨床癥狀為急性疼痛、紅腫、畏光。研究發(fā)現(xiàn)，細菌感染可誘導感染組織微環(huán)境發(fā)生酸性變化，進一步加劇疾病發(fā)展。

細菌性角膜炎的常規(guī)治療方法是在眼表面局部使用廣譜抗生素滴眼液來對抗傳染性細菌。然而，由于角膜上皮屏障阻止親水藥物大分子穿透角膜，以及淚膜稀釋清除藥物溶液，大大降低了生物利用度，并減少了藥物滯留時間。因此，為了維持角膜內(nèi)有足夠的藥物濃度，通常需要使用大量抗生素和頻繁給藥，這很可能給眼組織帶來毒性影響，增加抗菌素耐藥性的風險。

為解決以上問題，武漢大學藥學院黎威教授團隊設(shè)計開發(fā)了一種自植入的核殼結(jié)構(gòu)微針貼片，用于治療細菌性角膜炎。相關(guān)研究成果以“Self-Implantable Core–Shell Microneedle Patch for Long-Acting Treatment of Keratitis via Programmed Drug Release”為題發(fā)表在期刊《Small》上。武漢大學藥學院博士研究生江雪為第一作者，武漢大學藥學院黎威教授為通訊作者。



該微針貼片是利用3D打印設(shè)備加工模具后經(jīng)PDMS翻模制備而成。該研究首先通過原位的還原法制備了裝載納米銀的沸石咪唑酯框架-8納米粒（Ag@ZIF-8 NPs），然后將其裝載在聚乙烯醇（PVA）組成的微針水溶性核心部分。微針的外殼結(jié)構(gòu)由生物相容性和可生物降解的天然蛋白質(zhì)絲素蛋白（SF）組成，作為抗血管生成/抗炎藥物雷帕霉素的（Rapamycin，Rapa）的緩釋藥物庫（圖1）。

圖1 裝載Ag@ZIF-8 NPs和雷帕霉素的核殼微針的示意圖

隨后通過透射電鏡、X射線光電子能譜儀等多種表征證明，當納米銀被成功包覆在ZIF-8中，仍然可以維持ZIF-8原來的晶體結(jié)構(gòu)。氮氣吸附法和熱重分析證實納米銀的負載率約為15%。在不同PH下做釋放發(fā)現(xiàn)，Zn2?和Ag?在酸性pH下大量釋放，呈現(xiàn)較靈敏的酸響應。并且通過透射電鏡觀察得到ZIF-8的結(jié)構(gòu)在酸性條件下幾乎完全破壞（圖2）。

圖2 Ag@ZIF-8 NPs的表征

然后，通過SEM觀察微針的結(jié)構(gòu)。該微針為4 × 4的方形矩陣，針體呈圓錐形，底部直徑為400 μm，高度為850 μm。殼層絲素蛋白用羅丹明標記，核層用異硫氰酸熒光素（FITC）標記，在共聚焦顯微鏡下可明顯觀察到紅色熒光包裹綠色熒光。同時通過元素映射分析針尖的橫截面，可以觀察到殼層擁有豐富的氮元素，而殼層包圍的核心層富集較多的Zn元素，證實了微針的殼核結(jié)構(gòu)。通過穿刺明膠凝膠塊，可以觀察到FITC標記的PVA層進入凝膠后立即向上擴散，而紅色標記的SF層保持不變（圖3）。

圖3 核殼微針貼片的表征

緊接著，通過力學測試和體外眼球上穿刺，證實了該殼核微針具有較好的力學性能和較高的穿刺效率。核心層進入眼球后，立即擴散，而殼層保持不變。微針的藥物釋放曲線同樣證實了核心層的速釋和殼層的緩釋（圖4）。這種殼層結(jié)構(gòu)可以用來保護核心層，使抗菌納米粒較多的遞送到角膜基質(zhì)，而不是溶解在角膜表層。

圖4 體外和離體核殼微針貼片角膜植入和藥物釋放動力學

最后通過在角膜基質(zhì)內(nèi)注射金黃色葡萄球菌，實現(xiàn)在大鼠上造細菌性角膜炎模型，然后通過鏡下觀察眼球，提取角膜細菌，角膜炎臨床評分和病理切片來評估殼核微針的治療效果（圖5）。相比于其他組，殼核微針不僅在較短時間（5天）內(nèi)殺死了細菌，抑制了角膜炎癥，并且減少了角膜新生血管的發(fā)生，這得益于殼核微針較高的遞藥效率和雷帕霉素的長效緩釋能力。研究還發(fā)現(xiàn)，空白微針在老鼠觀察期間沒有造成任何損傷，也沒有加重角膜炎的發(fā)展，證明了微針的安全性。

圖5 核殼微針貼片治療細菌性角膜炎的療效觀察

綜上所述，在這項工作中，研究人員設(shè)計了一種具有核-殼結(jié)構(gòu)的眼部微針貼片，用于協(xié)同治療細菌性角膜炎。這種微針貼片含有pH響應性Ag@ZIF-8 NPs和抗炎抗血管生成的藥物（即Rapa）。在角膜植入后，由于淚液快速溶解可溶層，核殼微針可以迅速從貼片背襯中分離并嵌入角膜。微針植入后，Ag@ZIF-8 NPs從核心層擴散，隨后在感染角膜的酸性環(huán)境中發(fā)生響應性降解，通過釋放金屬離子（Zn2?、Ag?）發(fā)揮抗菌活性，促進角膜上皮細胞遷移。同時，由天然材料（即SF）組成的可降解外殼使Rapa緩慢釋放，從而實現(xiàn)長效抗炎和抗角膜血管生成。由于有益的程序性藥物釋放特性，單次給藥核殼微針貼片在細菌性角膜炎大鼠模型中實現(xiàn)了優(yōu)越的協(xié)同抗菌、血管抑制和抗炎效果，為細菌性角膜炎的治療提供了一種有前景的方法。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/smll.202310461

審核編輯：劉清