《Biomaterials》：Janus silk-based patch with temporary adhesion for inflammatory mediators removal in corneal alkali burn treatment
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角膜碱烧伤炎症介质吸附与纤维化抑制研究。通过Janus丝绸贴片结合聚天冬酰胺和肝素层吸附炎症因子，透明质酸层提供润滑，水合后可保持3-5天粘附并有效清除DNA、蛋白质和细胞因子，抑制PI3K-AKT通路，减轻血管化与纤维化，改善角膜透明度。
张一琳|李东艳|肖慧|罗秀园|谢毅|侯森|王丽珍|范宇波|季静|李林浩
教育部生物力学与机械生物学重点实验室，北京航空航天大学生物科学与医学工程学院生物医学工程高级创新中心，北京，100191，中国
摘要
角膜碱烧伤会导致持续性炎症，进而引发角膜血管化和纤维化，严重损害视力。我们开发了一种临时性的、可拆卸的基于Janus丝材料的贴片，用于捕获并清除眼表上的炎症介质。Janus贴片的底层含有聚胺胺和肝素，能够吸附眼表上的炎症介质；上层透明质酸层则提供润滑作用，减轻异物感并降低眨眼时产生的剪切应力。通过界面扩散、液-液相分离和光聚合技术，使丝材料和透明质酸层紧密结合，形成稳定的互穿网络结构。经过水退火处理后，该贴片具有优异的透明度、机械强度和抗肿胀性能，在大鼠眼表上可附着3-5天。吸附实验表明，该贴片能有效捕获小分子染料、蛋白质和游离DNA。在大鼠角膜碱烧伤模型中，治疗后3天，血管化和纤维化显著减少，角膜透明度也得到改善。RNA测序结果显示，该贴片能有效抑制PI3K–AKT炎症通路。这种具有抗炎作用的贴片为角膜碱烧伤提供了一种创新的治疗方案，具有显著的临床潜力。
引言
角膜化学烧伤是一种严重的眼科急症，占全球眼部创伤病例的11.5%-22.1%[1]。其中，碱烧伤比酸烧伤更为常见且治疗难度更大。碱性物质会迅速破坏角膜上皮并渗透到基质层，引发炎症细胞因子的持续释放，导致纤维化和新生血管形成，最终导致永久性视力丧失[2,3]。传统治疗方法主要使用皮质类固醇和胶原保护剂，但在预防纤维化和新生血管形成方面效果有限。角膜移植虽然在晚期病例中有效，但受供体短缺、免疫排斥和手术复杂性的限制[4, [5], [6]]。这些挑战凸显了亟需一种基于机制学原理且临床效果显著的治疗策略来应对角膜碱烧伤。
急性炎症期是角膜碱烧伤后病理进展的初始阶段，是进行干预的关键时期[7]。这一阶段的特点是损伤相关分子模式（DAMPs）的积累，包括来自受损细胞的游离DNA（cfDNA）和中性粒细胞胞外陷阱（NETs），以及由活化中性粒细胞和单核细胞分泌的促炎细胞因子（如IL-1β、TNF-α和MCP-1）[8,9]。持续的DAMP信号传导会激活下游通路（尤其是NF-κB），放大炎症反应并促进基质细胞向肌成纤维细胞的转化，最终导致纤维化瘢痕形成[10, [11], [12]]。在急性期及时清除炎症介质是重要的治疗机会。
针对炎症介质的吸附材料在调节免疫反应和优化组织修复微环境方面具有巨大潜力[8,13]。通过利用这些介质的理化特性，天然和合成材料可以被设计成能够选择性地结合、储存和清除它们。例如，糖胺聚糖（GAGs）如肝素可以通过磺酸基团与带正电荷的氨基酸残基之间的静电相互作用与趋化因子（如MCP-1和IL-8）结合[14,15]；同样，来自受损组织的带负电荷的游离DNA（cfDNA）可以通过与聚乙二醇亚胺（PEI）等阳离子聚合物的静电相互作用被捕获[16, [17], [18]]。最新研究表明，经过阳离子聚合物或肝素功能化的纳米颗粒、微球或水凝胶可以在损伤部位有效捕获炎症介质，从而减轻炎症并恢复免疫稳态[19, [20], [21]]。然而，这些材料在体内的长期滞留可能会引发异物反应，其降解产物也可能持续激活炎症[22]。因此，开发一种既能高效捕获和储存炎症介质又能随着愈合过程可控释放的角膜适应性吸附材料至关重要。
在本研究中，我们开发了一种可拆卸的Janus贴片，能够暂时附着在眼表上以有效清除炎症介质（图1a）。该贴片通过光交联甲基化丝素纤维蛋白（SILMA）和甲基化透明质酸（HAMA）制成Janus水凝胶，然后干燥成薄膜。丝素纤维蛋白层提供机械支撑，透明质酸层赋予表面亲水性和润滑性，提高佩戴舒适度；壳聚糖则起到组织粘合剂的作用。丝素纤维蛋白层还进一步与肝素（Hep）和聚胺胺（PAMAM）树状大分子结合，形成多价结合界面，用于吸附和储存炎症介质（图1b）。全面表征显示，该贴片具有优异的光学透明度、机械强度和均匀的层状网络结构。轻微的水退火处理促进了Janus贴片内部β-折叠结构的形成，改善了抗肿胀性能和机械性能。壳聚糖粘合剂使贴片能够牢固地附着在角膜表面，并在治疗后轻松移除。通过溶液相测定、模拟眼表的凝胶模型和体内眼模型系统评估了其吸附效果。体外实验验证了其对蛋白质和游离DNA的有效捕获和储存能力。最终，在大鼠角膜碱烧伤模型中，3天的贴片治疗显著减少了角膜新生血管和浑浊，前段光学相干断层扫描（AS-OCT）和裂隙灯成像也证实了这一效果。免疫组化染色和RNA测序进一步证明了该贴片能够调节下游炎症通路，包括PI3K–AKT信号通路。
Janus吸附贴片的制备与表征
本研究采用光交联和水退火协同策略制备了Janus贴片（图2a）。具体而言，SILMA和HAMA在模具内原位光聚合形成Janus水凝胶网络（图2b），随后干燥成薄膜并经过水退火处理以诱导β-折叠结构的形成，从而建立稳定的物理交联网络[23,24]。1H NMR分析显示SILMA的甲基化度为21.4%，HAMA为75.2%
讨论
治疗碱烧伤引起的眼部损伤的主要目标是防止纤维化浑浊和病理性新生血管形成，这两种情况都是由受损上皮释放的急性期炎症介质引发的异常基质重塑所致[30]。目前治疗角膜碱烧伤的临床方法包括眼表冲洗、皮质类固醇抗炎治疗、感染预防和胶原保护等
材料
聚乙二醇（PEG，M?100,000 g/mol）、碳酸钠（Na2CO3，99.9%）、甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA，2.5%）、苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰)磷酸锂（LAP，98%）和壳聚糖（中等粘度）购自中国上海阿拉丁生化科技有限公司。溴化锂（LiBr，99%）、1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）、乙二胺、2-(N-morpholinyl)乙磺酸（MES，99%）和荧光素均购自相关公司。CRediT作者贡献声明
张一琳：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、方法学设计、实验设计、概念构思。
李东艳：撰写 – 审稿与编辑、方法学设计、实验设计、数据管理。
肖慧：方法学设计、实验设计。
罗秀园：方法学设计、实验设计。
谢毅：软件开发、方法学设计。
侯森：方法学设计、实验设计。
王丽珍：撰写 – 审稿与编辑。
范宇波：撰写 – 审稿与编辑、项目统筹。
季静：撰写 – 审稿与编辑、监督
数据和材料获取
所有数据均见正文或补充材料。转录组数据已存入NCBI基因表达组学数据库（GEO），访问号为GSE295198。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢以下机构的财政支持：国家重点研发计划（2023YFC2410404）、国家自然科学基金（32371405、12472316、12332019）、北京市自然科学基金（Z240017、L241030）以及康奈尔大学的基础研究基金。
