《Acta Biomaterialia》：Cationic interfacial engineering of ceria nanotherapeutics enables epithelial barrier penetration and stromal fibrosis inhibition in corneal alkali burns
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Tzong-Yun Ger|Chia-Jung Yang|David Hui-Kang Ma|Muhammad Hussnain Akmal|Jui-Yang Lai摘要角膜碱烧伤常会导致严重的病理表现（包括氧化应激和炎症反应），以及基质重塑异常引发的基质纤维化。目前的治疗方法主
Tzong-Yun Ger|Chia-Jung Yang|David Hui-Kang Ma|Muhammad Hussnain Akmal|Jui-Yang Lai
摘要
角膜碱烧伤常会导致严重的病理表现（包括氧化应激和炎症反应），以及基质重塑异常引发的基质纤维化。目前的治疗方法主要针对炎症，但尚不足以防止纤维化瘢痕形成并提升角膜透明度。为解决这一难题，研究人员将一种天然的抗纤维化蛋白聚糖——decorin（DCN）与季铵盐修饰的纳米铈结合，制成多功能金属治疗剂（Ce-QA/DCN）。这类生物功能化的纳米材料具有良好的物理化学稳定性及眼部生物相容性。研究结果表明，这种结合体能够保持抑制胶原纤维生成及下调与纤维化相关的信号通路的能力。在碱烧伤的大鼠模型中，与常规药物疗法（地塞米松）相比，局部使用Ce-QA/DCN显著提升了角膜组织的透明度，并促进了基质结构的恢复。铈介导的氧化还原调节与DCN介导的纤维化抑制相结合，能够在角膜伤口愈合过程中同时减轻病理表现并促进基质重塑。总之，基于生物材料的纳米医学有望为严重角膜损伤及纤维化相关的眼表疾病提供有效的治疗策略。
意义阐述
由于金属纳米材料具有可调控的表面性质和内在生物活性，因此被视作眼部给药和治疗领域的极具潜力的平台；然而，如何在有效穿透角膜上皮的同时调控复杂的眼部病理过程，仍是一个重大挑战。本研究首次报道了通过合理设计基于铈的（季铵盐/decorin修饰的）纳米治疗剂，以优化其结构与功能关系，从而有效治疗角膜碱烧伤。研究表明，将阳离子界面工程与拮抗剂结合使用，能够有效控制纳米颗粒的渗透性和生物相容性，这意味着优化后的配方能够增强对角膜上皮屏障的穿透能力，同时抑制基质的氧化、炎症和纤维化。在体内实验中，这种生物材料设计可使角膜混浊程度降低约92%，显示出其在治疗眼伤及促进组织重塑方面的巨大潜力。
引言
眼部化学损伤是全球范围内可预防的视力损害的主要原因，其中碱烧伤最为严重，常常导致永久性的角膜混浊和视力丧失[1,2]。据估计，全球每年约有107,000人出现严重的视力损害或失明，其中约60-70%的病例是由碱烧伤引起的[3,4]。这类损伤多发生在工业、农业和家庭环境中，由于其发展迅速且长期视力预后较差，因此属于最棘手的眼科急症之一[5]。碱性物质具有很强的组织穿透力，能迅速扩散到角膜各层，导致基质逐渐受损，使得角膜碱烧伤成为一种极具威胁视力的疾病，给临床眼科治疗带来巨大挑战[6,7]。与表层角膜损伤不同，碱液会迅速穿透眼部组织，引发一系列复杂的病理反应，包括氧化应激、炎症反应和纤维化重塑[8,9]。碱液导致的脂质皂化会破坏细胞膜，促使基质快速浸润，进而产生大量活性氧，并激活对氧化还原反应敏感的信号通路[10]。这一过程会进一步刺激促炎细胞因子的释放以及促纤维化信号的传导，这些过程通常与转化生长因子-β（TGF-β）介导的肌成纤维细胞分化及细胞外基质沉积有关[11]。这些相互关联的事件会不断加剧，形成一个自我延续的病理循环，其中炎症、氧化应激和纤维化共同导致角膜逐渐混浊和视力丧失[7,12]。这一级联反应的多因素特性表明，角膜碱烧伤是一种需要综合治疗策略而非单一干预措施的疾病。
然而，目前的临床治疗方法在阻断这一复杂病理过程方面仍存在局限性。局部使用的皮质类固醇，尤其是地塞米松，是用于抑制化学损伤后急性炎症反应的主要药物[13]。虽然地塞米松能够有效减轻早期炎症，但其治疗效果往往不够理想，且存在诸多局限[14]。长期使用皮质类固醇可能会延缓角膜上皮的愈合，增加基质变薄的风险，在严重情况下甚至可能导致角膜穿孔[8,15]。此外，皮质类固醇主要针对炎症通路，难以直接调控氧化应激或阻止纤维化性基质重塑。因此，那些仅侧重于控制炎症的疗法往往无法切断连接氧化应激、炎症和纤维化的连锁反应，而这些反应最终会导致角膜混浊和视力丧失[16]。这些局限性凸显出需要能够同时针对多种病理机制的替代性治疗策略。
由于眼部表面的固有生理屏障，传统的滴眼液往往治疗效果有限[17]。泪液快速更新会在几分钟内就将局部施用的药物冲走，而角膜上皮的紧密连接结构以及负电荷特性则会进一步限制分子进入，降低药物的生物利用度[18]。为克服这些限制，基于纳米技术的给药系统近年来逐渐成为眼部治疗领域极具前景的技术平台[[19], [20], [21], [22], [23], [24]]。纳米平台的表面性质可被调控，通过壳聚糖或透明质酸等成分制成的涂层，可通过黏附作用使药物在角膜前部停留更长时间；同时，纳米级的尺寸也有助于药物穿过角膜上皮的细胞间或旁细胞途径，从而提高其在目标组织中的生物利用度[25,26]。除了提升药物在眼部的递送效率外，纳米平台还为应对角膜碱烧伤的复杂病理机制提供了可能[27]。尤其是多功能纳米治疗剂可以被设计用来同时调控氧化应激、炎症和纤维化，而这三种现象正是导致角膜混浊的关键病理过程[28,29]。尽管眼部纳米医学已取得显著进展，但目前大多数已报道的系统大多只针对某一特定的病理通路，缺乏能够在同一平台上同时调控氧化应激、炎症反应和促纤维化信号的整合策略[30,31]。越来越多的证据表明，多功能纳米治疗系统能够产生协同治疗效果，这是单一成分方法难以实现的[[32], [33], [34]]。
为解决这些难题，研究人员设计了基于多功能纳米铈的治疗剂，其中每种组分都针对角膜碱烧伤病理过程中的不同但相互关联的环节（见图1）。纳米铈本身具有催化抗氧化活性，因为它可以在Ce3?和Ce??状态之间可逆转换，从而有效清除活性氧，减轻由氧化应激引发的炎症反应[[35], [36], [37]]。此外，通过在其表面引入季铵盐基团，可以使其带有永久正电荷，从而增强与带负电荷的角膜上皮膜的静电相互作用，进而提高其对上皮组织的穿透能力[38,39]。另外，decorin（DCN）是一种富含亮氨酸的小型蛋白聚糖，已知具有拮抗TGF-β信号的作用[40]。文献中已有大量研究证实DCN与TGF-β之间的相互作用至关重要。DCN可以通过其核心蛋白结构中的特定区域直接与TGF-β结合[41,42]，尤其是其中的亮氨酸重复序列4和5（LRR4和LRR5）被认为是DCN与TGF-β结合的关键区域[43]。通过这种相互作用，DCN可以隔离TGF-β，限制其与受体的结合，从而抑制下游由TGF-β引发的促纤维化信号传导。因此，研究人员将DCN连接到纳米颗粒表面，以此抑制肌成纤维细胞的分化，减少基质纤维化[44]。通过这种协同设计，最终得到了兼具季铵盐/DCN修饰功能的铈纳米治疗剂，能够同时针对氧化应激、炎症反应、纤维化信号通路以及上皮屏障功能障碍。
章节节选
材料
六水合硝酸铈（Ce(NO?)?·6H?O，99%，以痕量金属计）、苯甲醇、无水乙醇（纯度＞99.5%）、(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷（APTES）、氢氧化钠（NaOH）、DCN、柠康酸酐、1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC）、茚三酮试剂、过氧化氢（H?O?）、脂多糖（LPS）、二甲基亚砜（DMSO）、氢化可的松、霍乱毒素A亚单位、胰岛素、转铁蛋白、硒元素以及庆大霉素均购自Sigma-Aldrich公司（圣路易斯）。
结果与讨论
药物的眼部局部给药仍然面临着外部组织屏障（即泪膜）带来的挑战。由于角膜上皮顶端表面存在唾液酸残留，因此在生理pH值条件下，该组织屏障带有负电荷[18]。在本研究中，为增强纳米颗粒与角膜组织的相互作用，研究人员在纳米铈表面引入季铵盐基团，从而制备出一系列带正电荷的纳米平台。我们的这种纳米生物材料
结论
为了同时针对氧化应激、炎症反应、纤维化信号通路以及上皮屏障功能障碍，研究人员通过结合阳离子界面工程与拮抗剂结合技术，制备出了兼具季铵盐/DCN修饰功能的铈纳米治疗剂。这一设计理念强调，有效的角膜治疗不仅需要具备生物活性，还需要具备良好的输送能力。这些纳米治疗剂表现出良好的生物相容性，同时还具有很强的抑制作用
CRediT作者贡献说明
Tzong-Yun Ger：文章撰写——初稿撰写，资金获取，概念构思。Chia-Jung Yang：文章撰写——审稿与编辑，软件应用，概念构思。David Hui-Kang Ma：验证工作，实验研究。Muhammad Hussnain Akmal：文章撰写——初稿撰写。Jui-Yang Lai：文章撰写——审稿与编辑，项目监督，项目管理，资金获取，概念构思。
