通过一种活的光电活性PEDOT-螺旋藻亚视网膜假体实现退行性失明的视觉恢复

《Biomaterials》：Vision Restoration in Degenerative Blindness via a Living Optoelectroactive PEDOT-Spirulina Subretinal Prosthesis

　　

摘要

电子视网膜假体是恢复患有退行性视网膜疾病患者视力的有前景的策略。然而，使用刚性电极的传统视网膜植入物存在关键限制，包括与脆弱视网膜组织的机械不匹配以及由活性氧物种引发的炎症。为了解决这些挑战，我们引入了一种创新的生物混合视网膜假体，该假体由聚(3,4-乙二氧噻吩)（PEDOT）和螺旋藻（Sp）合成的生物活性水凝胶支架组成。该支架设计用于通过微创微注射在视网膜下空间原位交联，从而与自然弯曲的视网膜实现贴合。这种设计结合了必要的光伏功能和对视网膜损伤微环境的治疗调节作用。转录组测序（RNA-seq）分析显示，PEDOT-Sp水凝胶结合460纳米光照射能够减轻光感受器诱导的视网膜退行性损伤。这种效果是通过促进光转导恢复、细胞再生、抗氧化能力和能量代谢稳定实现的。值得注意的是，在视网膜退化的小鼠模型中观察到了显著的视觉功能恢复。这一功能恢复通过一系列体内视觉行为测试得到了一致验证。因此，这种生物导电聚合物水凝胶为退行性视网膜疾病提供了一种新颖且有变革性的治疗策略。

引言

进行性光感受器死亡是成人失明的主要原因（1），如年龄相关性黄斑变性（AMD）和视网膜色素变性（RP）中所见（2）。尽管基因疗法（3）、光遗传学（4）和干细胞（5）等新兴治疗方法具有潜力，但临床选择仍然有限。视网膜假体通过电刺激存活的神经元提供了一种替代方法（6）。视网膜上（7）、视网膜下（8）或脉络膜上（9）的植入物可以引发视觉感知（光幻视），其中一些已经获得批准（10）。然而，仍存在手术复杂性、组织不匹配和炎症等挑战（8）。光伏植入物也面临限制，包括手术过程中产生的活性氧（ROS）的生物相容性风险（11）。此外，不规则的视网膜表面可能在电极和组织之间造成间隙，而较大植入物的营养供应不足会降低其效果。

由于生物电子学与其结构和机械特性与生物组织的天然兼容性，它们为实现无缝生物整合和高性能功能提供了有前景的平台（12）。有机共轭聚合物因其生物相容性和光敏感性而受到关注（13, 14）。例如，聚（3-己基噻吩）纳米粒子在视网膜下注射后恢复了RP模型大鼠的视力（15）。然而，液态材料往往难以适应视网膜的不平整表面，这突显了需要一种可贴合、微创的移植物。

受自然的启发，我们开发了一种由聚（3,4-乙二氧噻吩）（PEDOT）和螺旋藻（Sp）（16）制成的生物活性假体（16），这种微生物在生物医学应用中越来越受到重视（17, 18, 19）。这种水凝胶在视网膜下空间原位形成，提供光伏活性、机械柔顺性、抗氧化效果和组织修复能力。在光照下，螺旋藻产生氧气和电信号，有助于减轻炎症。在小鼠体内，该水凝胶成功整合而不会损害光感受器或引起显著炎症，并在植入后21天内持续恢复视觉功能。这些结果展示了其治疗视网膜退行性失明的潜力。

章节片段

结果与讨论

PEDOT-Sp水凝胶是通过两步物理交联过程制备的。首先，将PEDOT:PSS与4-十二烷基苯磺酸（DBSA）混合形成PEDOT:PSS预交联前体（图1A）。DBSA使PSS^-链质子化，使PEDOT⁺链通过π–π堆叠和疏水相互作用发生交联。所得到的PEDOT前体呈现出层状结构，其中质子化的PSS^-分子使PEDOT片层平行排列。

结论

我们的工作介绍了一种创新的注射型PEDOT-Sp水凝胶，用于恢复退行性失明的视力。与刚性电极不同，这种水凝胶形成一个柔顺的、原位形成的支架，可以填补间隙并减少机械应力。它不仅通过电刺激发挥作用，还通过共生整合活的螺旋藻，将光伏功能与对退行性微环境的有积极作用结合起来。持续的视觉恢复通过ERG和多种行为测试得到证实。

材料与方法

材料和方法的详细信息见补充信息（SI）文件。

统计分析

统计分析使用OriginPro2024软件进行。所有实验数据以平均值±标准误差（SEM）表示。对于组间比较，采用了双样本独立t检验来分析定量数据。所有图表中，统计显著性用星号表示：*p < 0.05；**p < 0.01；***p < 0.001；****p < 0.0001。

研究伦理

动物研究方案获得了温州医科大学动物实验伦理委员会的批准（批准编号：wydw2025-0295），所有实验均遵循赫尔辛基宣言的原则。

作者贡献声明

王怡怡：研究。汤姆·劳森：写作——审稿与编辑。吴张勇：研究。刘勇：写作——审稿与编辑、初稿撰写、监督、资金筹措、概念化。贾凤焕：方法学、研究、数据分析、数据管理。余长春：写作——初稿撰写、研究、资金筹措、数据管理、概念化。严璐：方法学。陈东：方法学、研究。罗欣然：研究。赵梅妍：

利益声明

作者声明没有利益冲突。

数据可用性

数据可根据要求提供。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（82502583, U20A20338）和浙江省高峰学科计划（温州医科大学-药学，2024ZJDF027A）的财政支持。同时，也感谢温州医科大学科学研究中心提供的宝贵咨询和仪器支持。

余长春|贾凤焕|陈东|严璐|赵梅妍|罗欣然|王怡怡|吴张勇|汤姆·劳森|刘勇

温州医科大学生物医学工程学院眼科与视光学系新型光电眼科技术实验室，中国浙江省温州市325027