前言

 

随着人口老龄化的加剧及人们生活方式的改变，眼部疾病的发病率愈发增高，且呈现低龄化患病趋势。屈光不正、干眼症、白内障、青光眼、黄斑病变等眼部疾病极大地影响人们的视力和生活质量。为改变这一现象，诸多科学家致力于进行眼科药物的研发，而在该类药物研发过程中，目前主要面临以下挑战，一是眼部各组织的复杂结构造成了许多生理屏障，二是眼部各组织中的代谢酶，使药物经过眼部各个组织到达病变部位发挥药效受到影响。本文将分别从眼球的基本结构、眼部组织代谢酶的表达与分布、眼科药物的给药方式等方面进行阐述，并介绍眼科药物的体外代谢稳定性研究体系的建立。

 

1、眼球的基本结构及眼部组织代谢酶

 

眼组织是身体最复杂的器官之一。其中眼球以晶状体为界被分为两部分，即眼前段和眼后段，晶状体及晶状体之前的眼结构被称为眼前段，约占眼球的1/3，主要由角膜、房水、虹膜、睫状体、结膜和晶状体组成，眼前段疾病主要有干眼症、白内障、青光眼等；晶状体之后的眼结构为眼后段，约占眼球的2/3，主要由玻璃体腔、视网膜、脉络膜、巩膜和视神经组成，眼后段疾病主要有年龄相关性黄斑变性、视网膜疾病如色素性视网膜炎、糖尿病性视网膜病变等[1]。

 

图1. 眼球的基本结构[2]

 

眼球的复杂结构造成许多眼部屏障，如泪液流出、不同眼层的亲脂性差异、角膜前排泄、房水逆流、结膜吸收、玻璃体内的扩散、消除性分泌物以及通过角膜上皮、视网膜色素上皮和其他膜的通透性等，使得可能发生的病变部位多且复杂。同时，药物经过眼部各组织时，也会被其中的代谢酶所代谢[1,3,4]。这些屏障在正常情况下可以保护眼组织免受外部刺激，但当眼部病变时，则有可能阻碍药物到达病变部位发挥药效。

 

与肝脏相比，虽然眼组织的代谢能力较弱，很少会被认为是药物的代谢器官，但在眼部各种结构中含有多种I相和II相代谢酶。

 

表1. 不同眼部组织I相和II相代谢酶的表达与分布[5-6]

通过检测药物在眼组织的代谢情况，可以帮助化学家优化药物设计，以改善药物疗效和减少药物的副作用，此外还可以通过代谢激活改善眼科药物递送的潜力。眼部代谢酶目前已得到较好的表征，这使得它们成为眼科药物设计和开发中不可或缺的考虑因素，因此在进行眼科药物的设计时，可考虑通过眼部代谢酶作用来优化设计，如前药和联合药物等方法[7]。

 

2、眼科药物的给药方式

 

目前眼科药物有2种给药途径，即系统给药和眼组织局部给药。系统给药患者依从性高，但由于血脑屏障，常难以发挥药效。因此，对于眼科药物，临床上主要采用眼组织局部给药方式。眼组织局部给药又分为眼表给药、眼内给药和眼周给药。

 

眼表给药是最常用的眼部给药方式，大约90%的药物以滴眼液的形式给药，主要用于治疗眼前段疾病，患者能够自行给药，但需要突破角膜屏障；

 

眼内给药方式的生物利用度高，但由于是侵入性给药，患者依从性不高。其中玻璃体注射，主要用于治疗眼后段疾病，也可扩散到眼前段组织；前房注射主要用于治疗眼前段疾病，无法治疗眼后段疾病；

 

眼周给药作用持久，可扩散到眼前段和眼后段，但有出血风险，且对眼后段的疾病治疗效果不如玻璃体注射[3,8]。

 

图2. 眼部不同给药方式[2]

所以，用于治疗眼前段疾病的药物常采用眼表给药方式，其中以滴眼液形式给药最多。治疗眼后段疾病的药物常采用眼内给药和眼周给药方式，其中玻璃体注射是常用的方法。

 

表2. 不同眼部给药方式的优势与局限性

 

3、眼科药物的体外代谢稳定性研究体系的建立

 

1、实验体系和测试化合物选择

 

眼表给药和眼内给药中的玻璃体注射分别是常用于治疗眼前段和眼后段疾病的给药方式。眼表给药需要突破角膜屏障，角膜由上皮、Bowman层、基质、后弹力层和内皮五个不同的层组成，角膜上皮是角膜屏障最重要的部分，约占角膜的10%，它具有多层角膜上皮细胞，会严重限制药物的眼部渗透，尤其是许多类型的亲水分子，基质约占角膜的90%，限制疏水分子的通过，角膜中表达多种代谢酶，分布在角膜各个组织层，其中角膜上皮和内皮细胞内代谢酶的种类和含量较多，眼表给药会受到角膜生理屏障和清除机制的双重影响[9,10]。

 

图3. 角膜组织各层示意图[11]

 

玻璃体是半固体结构，在眼组织的前段和后段之间提供屏障，它是凝胶状结构，所以玻璃体中的药物分布模式是异质的，药物分布在很大程度上取决于药物的分子量和玻璃体病理生理状况，小分子可以在玻璃体中迅速扩散，而分子量超过40 kDa的线性分子或大于70 kDa的球状分子在玻璃体中的保留时间较长，且药物的消除和分布与药物通过玻璃体的扩散速率及其半衰期成正比。玻璃体内注射可以使玻璃体和眼内组织，包括脉络膜和视网膜中的局部药物浓度较高，有助于药物扩散至病变部位发挥药效[10]。

 

对于在眼组织局部起效的药物，需要在眼组织进行代谢研究，针对眼表给药和玻璃体注射给药的眼科药物，药明康德DMPK对眼科药物在角膜组织和玻璃体液中的体外稳定性进行了研究。角膜组织和玻璃体液中均含有酯酶，Rhopressa（奈他地尔）会在角膜组织和玻璃体液中产生代谢，此外，我们选取了3个眼部用药的酯类前药Latanoprost（拉坦前列素）、Dipivefrin（地匹福林）、Mycophenolate mofetil（霉酚酸酯）进行验证。Rhopressa 是Rho激酶抑制剂，可用于治疗青光眼和角膜内皮损伤；Latanoprost为异丙酯化的前药，可被角膜中的酯酶水解转化为具有生物活性的拉坦前列素酸，可用于治疗青光眼；Dipivefrin是肾上腺素的双特戊酸二酯盐，角膜是地匹福林眼内水解的主要部位，其进入眼组织后在酶的作用下迅速水解成肾上腺素，可用于治疗青光眼[12]；Mycophenolate mofetil是霉酚酸的酯类前体药物，可用于治疗对甲状腺相关性眼病。这些测试化合物分别在不同种属的角膜组织和玻璃体液中进行稳定性验证实验。

 

2、测试化合物在不同种属，角膜组织匀浆中的代谢

 

将测试化合物Dipivefrin、Latanoprost、Mycophenolate mofetil、Rhopressa分别在兔子、猴、大鼠的角膜组织匀浆中，经37℃水浴孵育6小时后，所得实验结果如图4所示。所有测试化合物均有明显代谢趋势；其中Dipivefrin、Latanoprost、Mycophenolate mofetil在兔子和大鼠的角膜组织匀浆中的代谢速度明显快于猴的角膜组织匀浆；Rhopressa在兔子的角膜组织匀浆中的代谢速度稍快于猴和大鼠的角膜组织匀浆。

 

图4. 测试化合物在不同种属角膜组织匀浆中的代谢稳定性

 

3、测试化合物在不同种属，玻璃体液中的代谢

 

将测试化合物Dipivefrin、Latanoprost、Mycophenolate mofetil、Rhopressa分别在兔子、猴、大鼠的玻璃体液中，经37℃水浴孵育6小时后，所得实验结果如图5所示，所有测试化合物在兔子、猴、大鼠的玻璃体液中均有明显代谢趋势，其中Dipivefrin、Mycophenolate mofeti、Rhopressa在兔子玻璃体液的代谢速度明显快于大鼠和猴的玻璃体液；Latanoprost在大鼠玻璃体液的代谢速度明显快于兔子和猴的玻璃体液。

 

图5. 测试化合物在不同种属玻璃体液中的代谢稳定性

 

以上结果表明，Rhopressa在兔子的角膜组织匀浆和玻璃体液中有明显代谢趋势，说明其可以被角膜组织和玻璃体液中的代谢酶所代谢；酯类前药Latanoprost、Dipivefrin、Mycophenolate mofetil在角膜组织匀浆和玻璃体液中均有明显代谢趋势，说明Latanoprost、Dipivefrin、Mycophenolate mofetil可以通过角膜组织和玻璃体液中的酯酶代谢，其中在角膜组织中的代谢速度明显快于玻璃体液，说明角膜组织中酯酶的表达可能高于玻璃体液，且这4个化合物在角膜组织和玻璃体液中代谢均具有种属差异，可能因为不同种属酶的表达与含量有所区别[6]。

 

综上所述，我们分别建立了角膜组织匀浆代谢稳定性模型和玻璃体液代谢稳定性模型，用于评估眼科药物的体外代谢。对于眼表给药的药物和玻璃体注射给药的眼科药物，可在体外角膜组织和玻璃体液进行代谢研究，可选动物种属包括小鼠、大鼠、兔子、犬和猴。

 

结语

 

对于在眼组织局部起效的药物，需要在房水、玻璃体液、角膜等部位进行分布、代谢和消除过程的评估，体内代谢研究动物实验操作复杂，样品生物分析难度大，因此体外模型评估眼科药物的代谢稳定性有着更为直接和高效的优势。针对眼表给药和玻璃体注射给药的眼科药物，药明康德DMPK建立了评估眼科药物体外代谢稳定性的研究体系，可在体外角膜组织和玻璃体液中进行研究。该研究体系可针对眼科药物的研发进行早期化合物筛选、指导结构修饰、开发药物构效关系，还可以提供通过代谢激活以改善眼科药物递送的潜力。

 

参考文献：

 

[1] Fang G, Yang X, Wang Q, et al. Hydrogels-based ophthalmic drug delivery systems for treatment of ocular diseases. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2021,127:112212.

 

[2] https://dmpkservice.wuxiapptec.com/cn/brochures/16-id/

 

[3] Amrutkar CS, Patil SB. Nanocarriers for ocular drug delivery: Recent advances and future opportunities. Indian J Ophthalmol. 2023,71(6):2355-2366.

 

[4] Zhao L, Song J, Du Y, et al. Therapeutic applications of contact lens-based drug delivery systems in ophthalmic diseases. Drug Deliv. 2023,30(1):2219419.

 

[5] Duvvuri S, Majumdar S, Mitra AK. Role of metabolism in ocular drug delivery. Curr Drug Metab. 2004,5(6):507-15.

 

[6] Argikar UA, Dumouchel JL, Dunne CE, et al. Ocular non-P450 oxidative, reductive, hydrolytic, and conjugative drug metabolizing enzymes. Drug Metab Rev. 2017,49(3):372-394.

 

[7] Al-Ghananeem AM, Crooks PA. Phase I and phase II ocular metabolic activities and the role of metabolism in ophthalmic prodrug and codrug design and delivery. Molecules. 2007,12(3):373-88.

 

[8] Wei D, Pu N, Li SY, et al. Application of iontophoresis in ophthalmic practice: an innovative strategy to deliver drugs into the eye. Drug Deliv. 2023,30(1):2165736.

 

[9] Melnyk S, Bollag WB. Aquaporins in the Cornea. Int J Mol Sci. 2024,25(7):3748.

 

[10] Weng Y, Liu J, Jin S, et al. Nanotechnology-based strategies for treatment of ocular disease. Acta Pharm Sin B. 2017,7(3):281-291.

 

[11] Price MO, Mehta JS, Jurkunas UV, et al. Corneal endothelial dysfunction: Evolving understanding and treatment options. Prog Retin Eye Res. 2021,82:100904.

 

[12] Guo SS, Li C, Zhao ZG. Research progress of ocular prodrug and its pharmacokinetics. Chin Pharm J. 2022,57(9):684-690.

 

 

来源：药明康德DMPK

关键词： 眼科药物 体外代谢稳定性