紫外线（UV）对眼睛的伤害是一个长期被忽视的健康问题。根据论文引言中的数据，约95%的人知晓紫外线会损伤皮肤，但仅有7%的人认识到紫外线可导致眼部疾病。累积性紫外线暴露已被证实是翼状胬肉、皮质性白内障和光角膜炎等多种眼部疾病的病因。在阳光中的紫外线到达人眼时，超过95%的紫外线能量被角膜、虹膜和晶状体吸收。成年人中仅1%-2%的紫外线能到达视网膜，而在瞳孔更大、晶状体更透明的儿童（8-10岁）中，这一比例上升至2%-5%。这意味着儿童比成人更容易因紫外线暴露而出现眼部问题。目前，佩戴太阳镜是最常见的眼部防晒方式，但太阳镜仅能阻挡约45%的环境紫外线，周边、反射和散射的紫外线仍能到达眼睛，甚至镜片背向反射的紫外线还会增加眼睛的紫外线负担。近年来开发的含小分子紫外线吸收剂的隐形眼镜虽能附着于眼表，但小分子可能在使用过程中泄漏，且为保证透明度必须限制其用量，导致紫外线阻挡效果不足。而皮肤用防晒霜中的纳米颗粒会阻挡视线，有机紫外线吸收剂增溶所需的乙醇、甘油等添加剂又会刺激或损伤眼睛。因此，开发一种安全、透明、水溶性且不损害视觉功能的眼部专用防晒剂，是一项迫切且具有挑战性的需求。
针对这一挑战，清华大学陶磊副研究员、北京大学口腔医院毋育伟副主任医师和中国农业科学院农产品加工研究所Wang Bo合作，开发出一种基于聚乙烯醇（PVA）修饰的聚合物眼部防晒剂。研究团队通过Hantzsch反应将天然提取物丁香醛（SA）引入PVA结构中，得到了PVA-SA衍生物。该聚合物在1wt%水溶液中具有高达80的防晒系数（SPF）、超过99%的紫外线阻隔率和84%的高透明度。在对雌性小鼠眼睛的急性刺激和长期安全性测试中，PVA-SA表现出极低的刺激性和良好的长期安全性。斑马鱼实验表明，经该聚合物保护的鱼在紫外线暴露后仍能保持健康的眼组织和视觉引导行为。小鼠实验进一步证实，该聚合物能有效保护视网膜免受紫外线诱导的损伤。相关论文以“A transparent PVA-based polymer sunscreen protects retinal tissue from ultraviolet damage”为题，发表在Nature Communications上。
图1：紫外线对眼睛的损伤及眼睛的紫外线防护。 a, 紫外线诱导的眼部疾病以及紫外线到达儿童（8-10岁）和成人（≥25岁）视网膜的情况。 b, 当前的紫外线防护技术——佩戴太阳镜和使用传统紫外线阻断剂。 c, 用于保护眼睛免受紫外线损伤的PVA基防晒剂示意图。
研究团队首先制备了三种PVA衍生物，分别引入苯甲醛（BA）、4-羟基苯甲醛（HBA）和丁香醛（SA）（图2a）。通过核磁共振氢谱分析，在PVA衍生物的谱图中观察到了1,4-二氢吡啶结构中-NH-基团的特征峰（8.7-8.9 ppm），而PVA原料中则没有这些特征峰（图2b）。傅里叶变换红外光谱分析进一步证实，PVA衍生物在1530-1480 cm⁻¹区域出现了苯环的特征吸收峰（图2c）。这些结果共同证实了Hantzsch反应的成功进行。紫外-可见透射光谱测试显示，当PVA-SA浓度达到5 mg/mL（0.5 wt%）时，其水溶液几乎能够屏蔽整个紫外光谱区域（UVB: 280-320 nm; UVA: 320-400 nm），而PVA-BA和PVA-HBA溶液仍有部分紫外线透过（图2d）。此外，在活性氮和活性氧清除能力测试中，PVA-SA表现出最高的清除率（图2e）。基于优异的紫外线阻隔能力和抗氧化性能，研究团队选择PVA-SA进行后续实验。为了探究紫外线屏蔽机制，研究团队合成了与PVA-SA中1,4-DHP侧链结构相似的模型分子M-SA，并通过密度泛函理论计算了其最高占据分子轨道和最低未占据分子轨道。计算结果表明，M-SA的带隙为3.81 eV，对应325 nm的波长，与实验测得的吸收峰（364 nm）在合理偏差范围内，说明M-SA可通过电子从HOMO向LUMO跃迁来吸收紫外线（图2f）。
图2：PVA衍生物的制备与表征。 a, PVA衍生物的合成示意图。 b, PVA及PVA衍生物的¹H NMR谱图（DMSO-d6, 400 MHz）。 c, PVA及PVA衍生物的FT-IR谱图。 d, PVA衍生物水溶液（5 mg/mL）的紫外-可见透射光谱及280-370 nm放大光谱。 e, PVA衍生物对RNS和ROS的清除率。数据以平均值±SD表示（n=3个独立样本）。 f, 使用密度泛函理论计算的M-SA的理论能带隙。
在细胞层面，研究团队使用人角膜上皮细胞系评估了PVA-SA的细胞毒性。CCK-8实验结果显示，在1-10 mg/mL浓度范围内与PVA或PVA-SA共培养24小时后，HCE-T细胞的存活率均超过90%，表明聚合物具有低细胞毒性。集落形成实验进一步证实，单次或多次给药后，PVA-SA组的集落形成情况与空白组相似，显示出低长期细胞毒性。PVA-SA的SPF值经测定为80，与市售皮肤用防晒霜（SPF 50+）相当，且10 mg/mL的溶液几乎无色透明（400-800 nm透射率84%）。在紫外线防护实验中，HCE-T细胞与PVA-SA共培养后接受UVA照射，FDA/PI双染和CCK-8检测结果显示，PVA-SA组的活细胞数量与空白组相近，而单纯UVA照射组和PVA处理组的活细胞数量显著减少（图3a）。全转录组RNA测序分析进一步揭示了PVA-SA的细胞保护机制。火山图显示，与UVA组相比，UVA+PVA-SA组共有683个基因上调、759个基因下调（图3b）。基因本体论分析显示，差异表达基因主要富集在与DNA/RNA转录和合成相关的条目中，如“RNA聚合酶II对转录的调控”和“序列特异性双链DNA结合”，这些条目还与细胞周期、细胞生长和增殖密切相关（图3c）。京都基因与基因组百科全书通路富集分析表明，差异表达基因显著富集在细胞生长、黏附和增殖相关通路（如PI3K-Akt信号通路、ECM-受体相互作用、MAPK信号通路和黏着斑）以及炎症相关通路（如Notch信号通路和IL-17信号通路）（图3d）。热图分析显示，PVA-SA上调了与衰老抑制（如COL6A3、ITGA2）和血管生成抑制（如THBS1）相关的基因，同时下调了与细胞周期抑制（如CDKN1A、GADD45A）、炎症（如CXCL2、CXCL8、IL1B）和血管生成（如VEGFA、ADM2）相关的基因（图3e）。蛋白质-蛋白质相互作用分析展示了与差异表达基因相关的相互作用网络，揭示了上述生物学功能之间的密切关联（图3f）。基因集富集分析表明，PVA-SA组与RNA降解、IL-17信号通路和细胞衰老呈负相关（图3g-i）。γ-H2AX染色实验显示，在紫外线照射前加入PVA-SA的“预防组”几乎检测不到绿色荧光信号，而照射后加入的“补救组”则可检测到明显荧光，表明PVA-SA通过直接阻挡UVA光来保护细胞，而非通过进入细胞缓解氧化应激。
图3：紫外线暴露后PVA-SA保护下HCE-T细胞的RNA序列分析。 a, 评估PVA-SA细胞紫外线保护效果的实验流程示意图。 b, 火山图显示UVA+PVA-SA组与UVA组相比的差异表达基因；p<0.05，|log2FC|>1。差异表达分析使用DESeq2（双侧）进行，未对多重比较进行调整。 c, 与DNA/RNA转录和合成相关的差异表达基因的基因本体论分析。弦图表示转录组功能与基因之间的关系。左侧显示基因，旁边的热图显示基因的log FC值；右侧显示功能。弦将基因连接到其相应的富集功能。 d, 差异表达基因的京都基因与基因组百科全书通路分析结果。差异表达分析使用DESeq2（双侧）进行，未对多重比较进行调整。 e, UVA组和UVA+PVA-SA组中差异表达基因表达的热图。红色：上调；蓝色：下调。对照组：UVA组。 f, 与DNA/RNA合成、细胞周期、炎症、血管生成和衰老功能相关的蛋白质-蛋白质相互作用分析；数据库：version-11-5.stringdb.org/organism/9606。 g-i, 基因集富集分析显示，与UVA组相比，UVA+PVA-SA组中RNA降解通路、IL-17信号通路和细胞衰老通路中的差异表达基因下调。
研究团队利用斑马鱼幼虫模型评估了PVA-SA的体内眼保护效果。斑马鱼幼虫视网膜神经发生在72小时受精后基本完成，其视觉引导行为（如惊跳反应和趋光性）可用于评估视觉功能。将72 hpf的斑马鱼幼虫分别置于PVA-SA和PVA溶液中培养，随后接受UVA照射（图4a）。惊跳反应测试中，经过10分钟暗适应后，幼虫经历三个光-暗交替周期。图4b展示了各组幼虫在一个光-暗周期中的典型运动轨迹，空白组幼虫在黑暗期的运动轨迹明显比光照期更为广泛。不同组幼虫在交替光-暗周期中的游泳距离定量数据显示，空白组在光照期和黑暗期的游泳距离存在明显差异，而UV照射组的差异则显著减小（图4c）。具体而言，与空白组相比，UV组的光暗游泳距离差异显著减小，UV+PVA组略有改善但依然较差，而UV+PVA-SA组的光暗游泳距离差异与空白组非常接近（图4d）。这表明UV照射损害了幼虫对明暗变化的敏感性，而PVA-SA能有效保护幼虫免受UV损伤。趋光性测试中，将幼虫限制在黑暗区后移除挡板，记录游向光区的幼虫数量（图4e）。通过直接观察，UV组和UV+PVA组的幼虫从暗区游向光区的意愿明显低于空白组和UV+PVA-SA组（图4f）。定量数据显示，UV组和UV+PVA组30只幼虫中分别仅有4只和5只从暗区游向光区，而空白组和UV+PVA-SA组则分别为13只和10只（图4g）。这进一步证实PVA-SA能有效保护幼虫的视觉功能。
图4：紫外线照射后斑马鱼幼虫的行为分析。 a, 斑马鱼幼虫惊跳反应实验流程示意图。 b, 不同组幼虫在一个光-暗周期中的典型运动轨迹。 c, 交替光-暗周期（2分钟光照后2分钟黑暗）对96 hpf斑马鱼幼虫游泳距离的影响。数据以平均值±SD表示（n=24条独立斑马鱼）。结果共涉及96条幼虫。 d, 不同组幼虫在光照和黑暗区域游泳距离的差异。数据以平均值±SD表示（n=24条独立斑马鱼）。该实验独立重复三次，结果相似。统计结果使用独立样本Student t检验（单侧）进行分析，未对多重比较进行调整。 e, 斑马鱼幼虫趋光性测试实验流程示意图。 f, 各组幼虫在光区数量达到最高时的趋光性测试截图（n=30条独立斑马鱼）。 g, 趋光性测试统计数据。数据以平均值±SD表示（n=30条独立斑马鱼）。该实验独立重复三次，结果相似。
研究团队还通过组织学分析评估了PVA-SA对斑马鱼幼虫眼组织的保护效果。吖啶橙染色显示，UV组和UV+PVA组幼虫眼部出现明亮的绿色荧光斑点，指示凋亡细胞中的染色质凝聚，而空白组和UV+PVA-SA组几乎检测不到荧光信号（图5a）。H&E染色组织学图像显示，UV组和UV+PVA组幼虫眼部周围出现炎性细胞浸润，神经节细胞层出现明显的空隙，表明可能存在细胞核丢失和结构紊乱（图5b）。定量分析表明，与健康幼虫相比，UV组和PVA处理组的神经节细胞层细胞核数量显著减少，而UV+PVA-SA组则与空白组相近（图5c）。不同组幼虫眼各细胞层厚度的测量结果显示，UV组和UV+PVA组的神经节细胞层、内丛状层、内核层和光感受器层厚度均显著减少，而UV+PVA-SA组的各细胞层厚度与空白组非常接近（图5d）。TUNEL染色在所有组中均未检测到明显的紫外线诱导的DNA断裂。这些结果证实PVA-SA能有效保护斑马鱼幼虫的眼部结构免受紫外线损伤。
图5：PVA-SA对斑马鱼眼睛的紫外线保护。 a, 不同组幼虫眼睛的吖啶橙染色图像。白色箭头指示凋亡细胞。比例尺：50 μm。该实验独立重复三次，结果相似。 b, 不同组幼虫眼睛的苏木精和伊红染色图像。箭头指示神经节细胞层中的空隙，圆圈指示UV组和PVA组中的炎性细胞浸润。比例尺：50 μm。 c, 不同组神经节细胞层中的细胞核数量。数据以平均值±SD表示（n=3条独立斑马鱼）。统计结果使用独立样本Student t检验（单侧）进行分析，未对多重比较进行调整。 d, 不同组中神经节细胞层、内丛状层、光感受器层、视网膜色素上皮层和内核层的厚度。数据以平均值±SD表示（n=3条独立斑马鱼）。每个样本的厚度在样本的不同位置测量五次。
在安全性评估方面，研究团队对BALB/C小鼠进行了急性眼刺激试验（图6a）。将小鼠分为四组，分别给予生理盐水、十二烷基硫酸钠、PVA和PVA-SA。裂隙灯显微镜观察显示，SDS处理0.5小时后小鼠出现眼睑肿胀、角膜混浊、角膜缺损和溃疡，而生理盐水、PVA和PVA-SA处理组几乎没有异常；24小时后，SDS组的角膜损伤依然明显，而PVA和PVA-SA组仍保持健康（图6b）。H&E染色显示，SDS组角膜上皮细胞明显剥脱和破裂，而PVA和PVA-SA组角膜上皮细胞排列致密、有序且完整（图6c）。TUNEL染色显示SDS对角膜组织损伤严重，出现明亮荧光，而PVA-SA组几乎检测不到损伤（图6d）。在眼内滞留能力测试中，PVA-SA在小鼠眼内的残留量在30分钟内降至30.3%，60分钟和90分钟时分别降至13.0%和1.9%，半衰期约为15分钟（图6e）。研究团队进一步验证了PVA-SA对小鼠视网膜的紫外线保护效果。H&E染色结果显示，与空白组相比，UV组视网膜细胞层厚度显著减少，外核层变得紊乱且出现明显核丢失，而UV+PVA-SA组的视网膜细胞层与空白组非常相似，细胞层排列有序，形态正常（图6f）。定量分析显示，UV组外核层细胞核数量较空白组显著减少，而UV+PVA-SA组的外核层细胞核数量与空白组无显著差异（图6g）。在体内安全性评估中，研究团队通过静脉注射对小鼠给予高剂量PVA-SA（图6h）。血液检测显示，与健康小鼠相比，PVA-SA注射组的尿素、肌酐、天冬氨酸氨基转移酶和白蛋白水平均无显著变化（图6i-l）。在14天长期毒性试验中，PVA-SA处理组小鼠的眼睑和角膜未见异常，主要器官组织学分析和血清生物标志物水平均未见明显异常。
图6：PVA-SA的体内安全性及其对小鼠视网膜的紫外线保护。 a, 急性眼刺激试验实验流程示意图。 b, 不同处理后0.5小时和24小时小鼠眼睛荧光素角膜染色的代表性裂隙灯图像。比例尺：1 mm。该实验独立重复三次，结果相似。 c, 不同处理72小时后小鼠眼睛的H&E染色。比例尺：1 mm。下图显示角膜的放大图像。箭头指示SDS组角膜的破裂细胞。比例尺：100 μm。该实验独立重复三次，结果相似。 d, 不同处理72小时后小鼠角膜组织的TUNEL染色。蓝色：DAPI，绿色：TUNEL。比例尺：200 μm。该实验独立重复三次，结果相似。 e, PVA-SA在小鼠眼中的滞留时间。数据以平均值±SD表示（n=3个独立眼球）。 f, 不同处理后小鼠视网膜的H&E染色图像。比例尺：50 μm。 g, 不同组外核层中的细胞核数量。数据以平均值±SD表示（n=5个独立眼球）。统计结果使用独立样本Student t检验（单侧）进行分析，未对多重比较进行调整。 h, 静脉注射PVA-SA的方案示意图。 i-l, 健康小鼠以及静脉注射PVA（30 mg）和PVA-SA（30 mg）72小时后小鼠的不同血清生物标志物水平：i 尿素；j 肌酐；k 天冬氨酸氨基转移酶；l 白蛋白。p值通过将数据与健康组数据比较获得。数据以平均值±SD表示（n=6只独立小鼠）。统计结果使用独立样本Student t检验（单侧）进行分析，未对多重比较进行调整。
综上所述，本研究成功开发了一种可直接用于眼睛的聚合物防晒剂，能够在不同方向上阻挡紫外线而不损害视觉功能。研究团队通过Hantzsch反应将天然来源的丁香醛引入人工泪液活性成分PVA中，获得了具有高SPF值（80）、高透明度（84%）和优异紫外线阻隔率（>99%）的PVA-SA。该聚合物在短期和长期使用中均表现出低细胞毒性，能有效保护角膜上皮细胞和原代人真皮成纤维细胞免受紫外线诱导的DNA/RNA损伤、炎症、血管生成和衰老。在体内实验中，PVA-SA能有效保护斑马鱼幼虫免受紫外线损伤，使其在紫外线照射后仍能保持几乎完整的视觉引导行为和健康的眼组织。此外，PVA-SA在小鼠眼中表现出极低的急性眼刺激性和良好的长期生物安全性，并能有效保护小鼠视网膜免受紫外线诱导的损伤。这项目标导向的研究成功利用天然产物和多组分反应开发了一种兼具优异安全性和抗紫外线性能的眼部防晒剂，为开发高附加值生物材料提供了有效策略。未来研究可进一步探索利用PVA-SA优异的抗氧化能力治疗干眼综合征等与氧化应激相关的眼部疾病。此外，使用高分子量PVA开发抗紫外线聚合物，有望在低浓度、低粘度条件下实现更长的眼表滞留时间，推动实际应用。
热门跟贴