作者：高洪瑞，蒋 华
作者单位：中国山东省济南市，济南军区总医院眼科
【摘要】 海藻糖(trehalose,TRH)是一种具有独特抗脱水、抗冷冻、抗高渗保护作用的非特异性生物保护剂，可在严酷环境下保护生物体的组织和大分子的功能和活性，在眼液制剂、干眼症治疗、角膜保存等方面有较大的研究进展。本文就TRH的生物特性及在眼科的研究进展情况作一综述。
【关键词】 海藻糖；眼液制剂；干眼症；角膜保存
Research progress of trehalose in ophthalmology
HongRui Gao, Hua Jiang
Department of Ophthalmology, General Hospital of Jinan Military Command, Jinan 250031, Shandong Province, China
AbstractTrehalose, as a nonspecific biological protective agent which plays an special protective role in the resistance to dehydration, freezing, high osmotic pressure, can protect the functions and activities of tissue and macromolecules in living body under atrocious environment. The applications of trehalose in eye drops, dry eyes and cornea preservations have made large progress in recent years. We reviewed the biological characteristics of trehalose and the research advances of trehalose in ophthalmology.
KEYWORDS: trehalose; eye drop; dry eye; cornea preservation
Gao HR, Jiang H. Research progress of trehalose in ophthalmology. Int J Ophthalmol(Guoji Yanke Zazhi) 2008;8(11):23162318
0引言
海藻糖（trehalose,TRH）是一种生物大分子非特异性的天然生物保护剂，化学性质十分稳定，除具有低聚糖的一般特性，还有独特的生物学特性，可在严酷环境下保护生物体的组织和大分子的功能和活性，在病毒、疫苗及组织器官保存、食品加工和储藏、农作物育种及药品添加剂等方面有广泛的应用[1]，近年来在医药领域的应用也取得较大进展。本文就TRH在眼科的研究进展情况作一简要综述。
1海藻糖的理化及生物学性质
1.1海藻糖的理化性质 TRH是一种广泛存在于酵母、真菌、海藻和许多生物体内的非还原性双糖,由两分子葡萄糖通过半缩醛羟基脱水而成。其在固体状态下为白色结晶状体,分子质量为378.33，分子式为C12H22O11·2 H2O，化学性质极稳定,水溶液无色无臭,口感略带甜味,在生物体内可被TRH酶分解成两分子葡萄糖[2]。
1.2海藻糖的生物学性质 隐生生物现象广泛存在于生物界，这类生物在干燥时脱水，以极低或停滞的新陈代谢处于一种保存状态，当环境允许再水化时它们可立即复活，其奥妙就是体内积累了大量的TRH[3]。TRH是其抵御伤害的基础，具有稳定细胞膜、蛋白质和核酸结构，保护生物体的作用。它对生物的独特抗脱水、抗冷冻、抗高渗的保护作用使其作为一种天然的非特异性生物保护物质而倍受关注。研究表明，外源性的TRH也具有良好的非特异性保护作用，因此有人把TRH称为“生命之源”[4]。
2海藻糖的生物保护机制
关于TRH的生物保护机制,国外科学家进行了大量的探索,提出了3种假说:“水替代”假说、“玻璃态”假说和“优先排阻”假说。这3种假说的相互补充基本能够解释TRH保护生物分子的机制。
2.1“水替代”假说 Crowe等[5]根据TRH存在条件下干态磷脂与水合磷脂物理性质相似这一现象，提出了“水替代”假说解释TRH对干态生物膜的保护作用。此假说认为，TRH能与生物分子形成氢键，代替空间结构所必须的水分子。即生物体内的蛋白质、核酸、糖类、脂质类及其它生物大分子周围均包着一层水膜，这层水膜是维持生物大分子的结构、功能必不可少的物质基础，当干燥、冷冻等条件下失去水膜时，TRH分子能在失水部位与生物大分子以氢键连接，形成一层保护膜以代替失去的结构水膜，而不至于使生物分子丧失活性。Crowe和Carpenter[6]对傅立叶红外转换数据的研究有力地支持了这一假说。
2.2“玻璃态”假说 1989年，Green等[7]提出，TRH的高效生物保护作用与它的玻璃态形成有关。TRH水溶液干燥时黏度随浓度的增加而增大，当达到一定浓度且糖未结晶时，其水溶液就会玻璃化，这种状态称为玻璃态。“玻璃态”假说认为，当生物成分干燥时，TRH紧密地包住相邻的分子，形成一种在结构上与玻璃状的冰相类似的碳水化合物玻璃体，其扩散系数很低，分子运动和分子变性非常微弱，能够使生物分子维持一定的空间结构。
2.3“优先排阻”假说 该假说由Timasheff等[8]提出，他们认为TRH等小分子糖类不直接与蛋白质空间结构相互作用，而是优先与蛋白质表面的水分子结合，结果蛋白质的溶剂化层半径减小，分子结构更紧密，构象更稳定，有利于抵御外界极端环境的影响。该假说可以解释溶液中TRH对生物分子的稳定作用。SolaPenna等[9]对TRH与其它低聚糖、单糖的水合体积进行了研究，结果表明，TRH水合体积为蔗糖、麦芽糖、葡萄糖、果糖的2.5倍，在溶液中可结合更多的水分子。这一结果可以很好地解释TRH保护生物分子的效果优于其它低聚糖的原因。
3海藻糖在眼科的研究进展
3.1作为生物活性成份的稳定保护剂和眼液成份载体 现在一些医用生物产品(如血液制品、疫苗、单克隆抗体、载药脂质体等)容易失活，使用TRH作为稳定添加剂，不仅能对这些制剂稳定保存，也能对其有效期的延长创造了条件。Carrasquillo等[10]将抗血管内皮生长因子（VEGF）的RNA适体EYE001包入聚乳酸羟基乙酸(PLGA)微球，在冻干前和PLGA微球包囊时，用TRH作保护剂，可起到固态稳定作用，从而使释放后的药物更加稳定。实验结果表明：该RNA适体在人脐静脉内皮细胞培养中可抑制VEGF诱导的细胞增殖，释放后适体的生物活性得到保持；在经兔巩膜跨巩膜传递实验中，该RNA适体以2μg/d的速度从PLGA上缓慢释放，20d后仍然能保持活性，避免了多次注射或适体浓度过高等问题，更有助于巩膜的吸收，药效良好，这为跨巩膜的药物传递以及治疗脉络膜和视网膜疾病提供了一条新的途径。Giannola[11]以诺氟沙星作为模型药物，包封在以TRH和羟乙基纤维素（NAT）为载体材料的微球内，制备新型的眼科凝胶给药系统来延长药物对角膜组织的释放。角膜前滞留实验表明：TRH/NAT微球可在泪液中保持荧光的时间为81.7min，而TRH/GLT（明胶）微球和药物水溶液可在泪液中保持荧光的时间分别为51.8min和22.3min。TRH/NAT微球中释放的诺氟沙星的RHC透过率比商品滴眼剂慢（透过速率分别为23.8mg/cm2和42.7mg/cm2），房水中足量的药物浓度可以得到保持。以TRH和NAT为载体微球的诺氟沙星凝胶表现出优良的生物粘附性能和角膜表面缓慢的药物释放特性，可以提高诺氟沙星眼部给药的生物利用度。同理，其它滴眼剂如抗生素类、抗真菌类、抗病毒类及免疫抑制剂等，也许有望通过这种载体微球缓释系统改造剂型，提高眼部给药的局部组织浓度和利用度。
3.2保护角膜上皮和治疗干眼症 由于TRH具有保护生物细胞和活性物质在干燥等不良环境下活性不受破坏的独特生物学性质，国外研究人员正在积极探索将其用于治疗干眼症的可行性。Matsuo[12]采用不同条件预培养人体角膜上皮细胞15min，再将细胞置于室温、室内湿度的环境中干燥30min，经荧光染色观察存活和死亡细胞数目。结果显示：与对照磷酸盐缓冲溶液相比，使用50、100、200mmol/L的TRH磷酸盐溶液预培养角膜上皮细胞可显著降低它在干燥环境中的死亡率(分别为P<0.01，P<0.05）；而使用≤20mmol/L TRH溶液、任何浓度的麦芽糖溶液、对照磷酸盐缓冲溶液、人工泪液Mytear、Hyalein以及硼酸盐缓冲溶液进行预培养都不能改善细胞的存活率。结果表明TRH可有效降低角膜上皮细胞在干燥环境中的死亡率，可能成为一种治疗干眼综合征的新型药物。在角膜上皮细胞存活率试验的基础上，Matsuo等[13]继续展开了下述旨在评价TRH用于治疗中、重度干眼综合征的有效性和安全性的随机、双盲、剂量排列的双眼临床对照试验。34例中、重度干眼症患者的1患眼使用100mmol/L或200mmol/L的TRH盐溶液，另1患眼使用对照盐溶液滴眼，6次/d。分别记录治疗初始，2、4wk时双眼的症状评分和体征检测，与对照盐溶液相比，使用TRH（100mmol/L或200 mmol/L）滴眼能明显提高眼表面的荧光素和玫瑰红染色评分；使用100mmol/L的TRH滴眼明显延长了泪膜破裂时间，但使用200mmol/的TRH，却没有出现此结果；试验期间未出现任何不良反应症状。由此可见，TRH滴眼液能够安全有效地治疗中、重度干眼症，其最佳有效浓度为100mmol/L。随后，Matsuo等[14]又采用市场上普遍使用的含有透明质酸或纤维素的滴眼剂（Mytear和Hyalein滴眼液）作对照，对36例中、重度干眼症患者进行了随机、双盲、4wk的交叉临床对照试验。试验分两组进行，其中一组患者的1眼滴TRH滴眼液，另1眼滴Mytear滴眼液；另一组患者的1眼滴TRH滴眼液，另1眼滴Hyalein滴眼液。治疗4wk后，交换双眼所使用的滴眼液，再考察4wk，共持续8wk，分别记录治疗初始，4，8wk时患者双眼的症状和体征。结果治疗4wk后，与Mytear或Hyalein相比，使用TRH滴眼液的眼表荧光素和玫瑰红染色评分及泪膜破裂时间均有显著提高或延长；治疗8wk后，所有客观体征评分都显示出TRH比Mytear或Hyalein疗效更好。综上研究证实，TRH能够降低角膜上皮细胞在干燥环境中的死亡率，TRH滴眼液可有效治疗中、重度干眼综合征，且疗效优于含有透明质酸或纤维素的Hyalein或Mytear滴眼液，有望成为一种更安全、更有效的治疗干眼症的药物，并可长期连续使用。
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