抗生素緩釋系統載體在慢性骨髓炎治療中的應用研究進展

葛茶娜，黎飛猛，林周勝，李啟活，王韻廷，孫鴻濤

1.廣州中醫藥大學(廣州　510317)；2.廣州中醫藥大學教學醫院廣東省第二人民醫院 骨科(廣州　510317)

抗生素緩釋系統載體在慢性骨髓炎治療中的應用研究進展

葛茶娜1，黎飛猛1，林周勝1，李啟活1，王韻廷1，孫鴻濤2△

1.廣州中醫藥大學(廣州510317)；2.廣州中醫藥大學教學醫院廣東省第二人民醫院 骨科(廣州510317)

【關鍵詞】慢性骨髓炎；抗生素緩釋系統載體；生物相容性；骨缺損

慢性骨髓炎(chronic osteomyelitis)是由急性骨髓炎發展而來，易并發慢性竇道、皮膚瘢痕及缺損、骨折和骨缺損；同時，漫長的病程及復雜的病情，增加了術后感染復發率，治療相當困難。傳統治療方法為徹底清除病灶，灌注沖洗，使用抗生素，其中抗生素在治療中起到關鍵性作用。抗生素可以局部或經靜脈全身給藥，但是靜脈給藥往往不能使感染局部藥物濃度達到理想狀態，并且大劑量靜脈給藥會使血藥濃度上升，增加機體對抗生素的耐藥性。如何才能使抗生素直接作用于病灶？如何才能使藥物維持持久殺菌濃度？抗生素緩釋系統(antibiotic delivery system)的出現為慢性骨髓炎的靶向治療提供了可能。而抗生素緩釋系統中的載體材料負載抗生素的能力和藥物緩釋能力直接影響靶向治療的效果。本文綜述了抗生素緩釋系統載體在慢性骨髓炎治療中的研究進展。

抗生素緩釋系統是在一系列生物相容性好的材料上發展起來的，由一些特殊的載體材料負載抗生素，通過緩慢釋放抗生素，持續維持藥物的有效殺菌濃度,已廣泛應用于骨髓炎及慢性感染性骨缺損的治療中。在徹底清創后，使用局部抗生素緩釋系統植入取代傳統使用抗生素灌注沖洗，可減少病人痛苦，有利于局部皮膚組織的修復，且抗生素緩釋系統的載體在一定程度上有修復骨缺損的作用，有利于骨組織重建。由此可見，抗生素緩釋系統治療慢性骨髓炎具有明顯優勢，而一個合適的載體對良好的抗生素緩釋系統而言是必不可少的。

1不可降解骨水泥

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聯合抗生素最早被應用于慢性骨髓炎治療，具有植入后使骨缺損區機械強度增高、局部抗生素高濃度的優點。宋先東[1]將50例慢性骨髓炎患者隨機分為研究組和對照組，研究組清除病灶后植入慶大霉素骨水泥，對照組清除病灶后用慶大霉素配比生理鹽水持續沖洗，兩組均使用抗生素靜滴。結果發現，研究組手術次數(2.3±1.2)次，治愈率為85.7%，對照組手術次數(2.8±1.4)次，治愈率為55.2%。由此認為，抗生素骨水泥治療慢性骨髓炎是一個有效并值得推廣的方法。潘正剛等[2]用骨水泥抗生素鏈珠結合骨移植治療24例脛骨慢性骨髓炎，術后隨訪6～24個月，僅有1例復發，優良率達95.8%。但骨水泥存在著抗生素釋放能力有限，且不具有降解性，需要二次手術將其取出等缺點，逐漸被具有較好生物相容性、可降解的羥基磷灰石、碳酸鈣骨水泥、聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)、殼聚糖、脂質體及海藻酸鹽等材料所替代。

2可降解材料

可降解材料在體內可以降解，無需再次手術取出，減少病人二次手術的痛苦。同時，該材料可持續維持局部足夠的抗生素濃度，以徹底根除感染和預防復發[3]，作為一類抗生素緩釋系統載體材料，引起了廣泛關注。

2.1生物陶瓷

生物陶瓷(bioceramic)主要包括硫酸鈣、羥基磷灰石和磷酸三鈣，因具有與骨相近的結構和化學成分，應用較為廣泛[4]。Semdé等[5]證實在慶大霉素油酸甘油酯水制劑中加入20%羥基磷灰石作為骨重建材料能夠持續釋放硫酸慶大霉素超過4周，且沒有明顯的爆發性釋放效應，可作為一個合適的生物緩釋系統載體局部植入治療慢性骨髓炎。Shirtliff等[6]在處理兔脛骨骨髓炎中發現，載萬古霉素的羥基磷灰石治療效果優于萬古霉素-PMMA，認為羥基磷灰石是一種可有效替代PMMA的載體材料。Zhou等[7]的有關頭孢他啶陽離子脂質體復合納米羥基磷灰石/β-磷酸三鈣陶瓷在體外釋放對金黃色葡萄球菌生物膜的抑制特性的研究，進一步證實脂質體是一個良好的抗生素載體。El-Ghannam等[8]合成的生物活性可吸收的二氧化硅納米磷酸鈣復合材料，可持續釋放慶大霉素有效濃度達35 d，并發現該材料不僅可維持有效藥物濃度以根除感染，而且還可刺激骨細胞的分化，有利于新骨生成。然而，生物陶瓷仍存在一些不足，如硫酸鈣自身降解速度過快、碳酸鈣陶瓷具有抗生素突釋現象等，有待進一步改良、發展。

2.2高分子聚合物

高分子聚合物(high-molecular polymer)降解速度緩慢，可作為良好的載體材料[9]。其中，聚乙內酯被廣泛應用在生物醫學領域中，如骨和軟骨組織工程支架[10]。吳玉彬等[11]研究發現，PLGA載藥微球能持續緩慢釋放頭孢吡肟超過2個月，并且認為PLGA是藥物控緩釋體系的一種理想材料。Pillai等[12]利用奈夫西林-PLGA納米粒有效治療金黃色葡萄球菌性骨髓炎。PLGA具有可與多種抗菌藥物相容的優點，這是PMMA無法比擬的。然而該材料體內降解不完全、生物活性低、易引起炎性及免疫反應等缺點限制其發展[13]。

2.3天然高分子材料

天然高分子材料(natural polymeric material)具有高生物活性、低毒性、可降解性、資源豐富和獲取容易等優點[14]，越來越受人們重視。

2.3.1明膠海綿明膠海綿(gelatin sponge)是由動物皮膚明膠制成的一種無抗原性、有韌性的海綿形式的物質[15]。明膠海綿具有止血作用，將本品留置骨創腔內可以在4～6周吸收，并且不產生瘢痕組織和不良纖維反應，同時，慢性骨髓炎治療通常需要持續4～6周，因此，明膠海綿在慢性骨髓炎的治療中充當載藥物質有其合理性。此外，明膠海綿還具有良好的組織相容性、三維立體結構、無明顯免疫排斥反應、容易獲得和成本低廉等優點。余建平等[16]實驗結果所示，經膠原處理后的明膠海綿作為金葡液載體來治療骨缺損具有優越性，但因機械強度較差，限制其應用。

2.3.2殼聚糖殼聚糖(chitosan)作為載體材料，具有良好的生物相容性、可降解性、穩定性和低毒性優點[17]。李瑞欣等[18]將40只兔分為全身用藥組和局部用藥組，局部用藥組在骨缺損中植入復合萬古霉素海藻酸鈉/殼聚糖緩釋載體，全身組靜脈滴注萬古霉素，比較兩組不同時間段血液、骨及肌肉組織內的萬古霉素濃度，發現全身用藥組24 h前血藥濃度大于局部用藥組，24 h時藥物濃度小于局部用藥組，且24 h后血藥濃度小于最低抑菌濃度；而局部用藥組骨及肌肉組織內，各點的藥物濃度均大于全身用藥組，2周時藥物濃度仍然保持高水平。他們認為復合萬古霉素海藻酸鈉/殼聚糖緩釋載體局部使用效果優于全身用藥。

2.3.3脂質體脂質體(liposomal)可有效包裹抗生素,改變藥物在體內藥代動力學，且脂質體的生物膜靶向作用可負載抗生素作用于生物膜，從而使抗生素活性增強[19]。游離的帶正電荷氨基糖苷類抗生素與帶負電荷的生物膜相結合，重復給藥使抗生素結合位點飽和，從而降低抗生素滲透性[20]，而脂質體對細菌生物膜有吸附作用，因此，以脂質體負載氨基糖苷類抗生素可使抗生素穿過細胞膜，從而起到持久殺菌的作用。陳海東等[21]認為脂質體抗生素符合可生物降解型緩釋系統的治療方法，在未來有望獲得廣泛應用。然而，脂質體存在化學穩定性差、封包率低和不耐熱等缺點[22]，必須對其進行化學修飾和制備工藝的改進。

2.3.4海藻酸鹽海藻酸鈉(sodium alginate)是一種無毒、生物相容性好且成本低廉的天然高分子材料，其作為藥物緩釋載體材料和組織工程修復材料具有廣闊的應用前景[23]。Hou等[24]將含有骨髓間充質干細胞的萬古霉素纖維蛋白凝膠海藻珠運載系統，用于治療骨感染和修復骨缺損的實驗中發現，其不僅能夠維持抗生素的有效濃度，而且能有效促進骨愈合。于濤[25]將48只慢性骨髓炎模型兔隨機分成單純海藻酸鈣組、萬古霉素骨水泥組和萬古霉素海藻酸鈣組，通過X線片、兔體質量變化、抑菌環實驗和細菌培養等觀察指標的比較發現，萬古霉素海藻酸鈣組各指標優于其他兩組，由此認為，萬古霉素海藻酸鈣萬古霉素骨水泥具有更穩定和持久的抗生素釋放能力，且萬古霉素海藻酸鈣在治療前期可起到填充死腔的作用，隨著海藻酸鈣的分解吸收，后期可發揮支架誘導骨形成作用。方濤林[26]認為PCL涂層的海藻酸鈣-TCP/萬古霉素微球具有良好的生物相容性及抗生素緩釋效果，對于預防骨科相關感染而言，是一種良好的候選材料。

2.3.5生物活性玻璃生物活性玻璃(Bioglass)具有骨傳導、促骨生長、與骨和軟組織結合度良好的作用[13]，且本身具有一定抗菌性能及可塑性[27]，因此越來越受到關注。Romanò等[28]在1項回顧性研究中，分別使用生物活性玻璃S53P4+全身使用抗生素治療27例長骨骨髓炎，羥基磷灰石和硫酸鈣化合物或磷酸三鈣加載抗生素+抗生素全身治療27例長骨骨髓炎，抗生素加載脫礦質骨基質+抗生素全身治療22例長骨骨髓炎。將治療結果進行比較發現，3組有類似感染控制能力，而生物活性玻璃S53P4組降低了傷口并發癥發生率，達到類似感染根除的效果。此外，生物活性玻璃S53P4組較其他兩組傷口滲液更少。Liu等[29]采用硼酸鹽生物玻璃為載體負載萬古霉素的緩釋系統來治療兔的骨髓炎，發現該緩釋系統可作為藥物輸送系統和骨修復支架使用，能支持新的骨骼形成和血管的生長，并認為生物活性硼酸玻璃是一種很有前途的可生物降解和具有生物活性的材料。

盡管天然高分子材料具有高生物相容性、無抗原性、可降解性和低毒性等優點，但其作為載體最大缺陷在于機械強度不足。

3復合材料

為彌補單一的抗生素緩釋系統載體材料的局限性，復合材料應運而生。盧旻鵬[30]將兔脛骨近段慢性骨髓炎模型隨機分成載銀納米抗菌復合骨填充材料組、載萬古霉素骨水泥填充材料組、納米羥基磷灰石/聚酰胺復合骨填充材料組及空白對照組，觀察材料局部抗菌效果、成骨能力和毒副作用發現，載銀納米抗菌復合骨填充材料具有一定的抗菌效果和成骨能力，短期實驗中兔體內未發現明顯毒副作用。廖紅勝等[31]將納米羥基磷灰石/膠原材料復合硫酸慶大霉素緩釋系統植入48只健康大鼠的左側股四頭肌下，并于術后1、3、5、7、9、12、18、24 d，處死大鼠，采取股四頭肌標本，進行硫酸慶大霉素體內釋放試驗的觀察，發現術后第1天肌肉中的硫酸慶大霉素濃度為(130.35±9.25) mg/L，隨著時間的延長其濃度下降。到術后第24天，肌肉組織中的硫酸慶大霉素濃度為(5.25±1.01) mg/L，其濃度仍然大于金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度(2 mg/L)，認為納米羥基磷灰石/膠原材料復合硫酸慶大霉素緩釋系統具有良好的體內緩釋作用，是一種良好的能較長時間維持有效濃度的抗生素緩釋系統載體。

抗生素緩釋系統負載藥物直接作用于局部病灶，減少抗生素全身用藥的副作用，提高病灶藥物濃度，增強抗菌效果，通過緩慢釋放藥物并保持有效藥物殺菌濃度，持續作用于病灶，是一種理想的靶向治療慢性骨髓炎的方法，而載體在其中起到決定性作用。良好的載體必須最大程度的負載抗生素，緩釋時間與慢性骨髓炎的治療周期相適，可緩慢降解；此外，載體還需具有一定的強度。尋找能將骨誘導、骨傳導、可塑性、抗菌性、緩釋性和力學強度完美結合的抗生素載體是不斷研究的方向。單一的抗生素緩釋系統載體材料都具有一定的局限性，復合材料通常顯示出強度和韌性間的平衡性優異[32]。越來越多研究者為獲得更為理想的材料，開始研究復合材料，其中，以天然高分子材料為基礎的復合材料日益受到青睞。在眾多種類的高分子復合材料中何種材料具有最優的性能，以及每一種材料的最適抗生素負載量，仍需大量研究。

參考文獻

[1]宋先東.抗生素骨水泥鏈置入在慢性骨髓炎行病灶清除后的感染控制[J].局解手術學雜志,2014,23(2):185-186.

[2]潘正剛,敖亮,何昌棟.骨水泥抗生素鏈珠結合骨移植治療脛骨慢性骨髓炎的臨床分析[J].醫學理論與實踐,2014,27(6):775-776.

[3]Koort JK,Suokas E,Veiranto M,etal.Invitroandinvivotesting of bioabsorbable antibiotic containing bone filler for osteomyelitis treatment[J].J Biomed Mater Res A,2006,78(3): 532-540.

[4]侯喜君,王春華,廉紅星,等.β-磷酸三鈣煅燒骨負載抗生素治療慢性骨髓炎的實驗研究[J].中國組織工程研究,2012,16(51):9518-9522.

[5]Semdé R,Gondi RF,Sombié BC,etal.Effect of hydroxyapatite on the physicochemical characteristics of a gentamicin-loaded monoolein gel intended to treat chronic osteomyelitis[J].J Adv Pharm Tech Res,2012,3(2): 100-105.

[6]Shirtliff ME, Calhoun JH, Mader JT.Experimental osteomyelitis treatment with antibiotic-impregnated hydroxyapatite[J]. Clin Orthop Relat Res, 2002(401): 239-247.

[7]Zhou TH,Su M,Shang BC,etal.Nano-hydroxyapatite/β-tricalcium phosphate ceramics scaffolds loaded with cationic liposomal ceftazidime: preparation,release characteristicsinvitroand inhibition toStaphylococcusaureusbiofilms[J].Drug Dev Ind Pharm,2012,38(11): 1298-1304.

[8]El-Ghannam A,Jahed K,Govindaswami M.Resorbable bioactive ceramic for treatment of bone infection[J].J Biomed Mater Res A,2010,94(1): 308-316.

[9]Anand A,Pundir R,Pandian CS,etal.Cefoperazone Sodium Impregnated Polycaprolactone Composite Implant for Osteomyelitis[J].Indian Journal of Pharmaceutical Sciences,2009,71(4):377-381.

[10] Overbeck JP,Winckler ST,Meffert R,etal.Penetration of ciprofloxacin into bone: a new bioabsorbable implant[J].J Invest Surg,1995,8(3): 155-162.

[11] 吳玉彬,韓相恩.聚(乳酸-羥基乙酸)共聚物PLGA緩釋微球的制備及其緩釋性能研究[J].甘肅石油和化工,2009,23(2):29-34.

[12] Pillai RR,Somayaji SN,Rabinovich M,etal.Nafcillin-loaded PLGA nanoparticles for treatment of osteomyelitis[J].Biomed Mater,2008,3(3): 034114.

[13] 顏翼,崔華,徐永清.抗生素載體及緩釋系統治療慢性骨髓炎的研究進展[J].西南國防醫藥,2010,20(2):211-212.

[14] 何源龍,鄭欣,陳一心.抗感染材料應用于慢性骨髓炎治療的研究進展[J].中國矯形外科雜志,2014,22(5):426-429.

[15] Schonauer C,Tessitore E,Barbagallo G,etal.The use of local agents: bone wax,gelatin,collagen,oxidized cellulose[J].Eur Spine J,2004,13(Suppl 1):89-96.

[16] 余建平,蘇云星,劉芳.膠原-明膠海綿作為金葡液載體修復骨缺損的實驗研究[J].山西醫藥雜志,2008,37(1):26-28.

[17] Grenha A,Grainger CI,Dailey LA,etal.Chitosan nanoparticles are compatible with respiratory epithelial cellsinvitro[J].European Journal of Pharmaceutical Sciences,2007,31(2): 73-84.

[18] 李瑞欣,馬小軍,王衛明,等.復合萬古霉素海藻酸鈉/殼聚糖緩釋載體的體內釋放實驗料[J].中國組織工程研究與臨床康復,2009,13(38):7535-7538.

[19] 聞一新,周田華,徐永清.脂質體抗生素復合可生物降解型緩釋系統治療慢性骨髓炎研究進展[J].西南國防醫藥,2013,23(6):683-685.

[20] H?iby N,Bjarnsholt T,Givskov M,etal.Antibiotic resistance of bacterial biofilms[J].Int J Antimicrob Agents,2010,35(4): 322-332.

[21] 陳海東,徐永清,李福兵,等.脂質體抗生素復合可生物降解型緩釋系統治療感染性骨缺損的研究進展[J].中國醫學工程,2014,22(2):194.

[22] 楊杜明,徐永清,李福兵,等.脂質體作為抗生素載體的研究進展[J].中國修復重建外科雜志,2012,26(11):1387-1390.

[23] 姜恒麗,崔元璐,齊學潔,等.海藻酸鈉-殼聚糖微膠囊載體在組織工程研究中的應用[J].中國組織工程研究,2014,18(3):412-419.

[24] Hou T,Xu J,Li Q,etal.Invitroevaluation of a fibrin gel antibiotic delivery system containing mesenchymal stem cells and vancomycin alginate beads for treating bone infections and facilitating bone formation[J].Tissue Eng Part A,2008,14(7): 1173-1182.

[25] 于濤.萬古霉素海藻酸鈣治療慢性骨髓炎的動物實驗研究[D].石家莊：河北醫科大學，2008.

[26] 方濤林.抗生素緩釋的系列骨缺損修復材料的研究[D].上海:復旦大學,2011.

[27] Lindfors NC,Hyv?nen P,Nyyss?nen M,etal.Bioactive glass S53P4 as bone graft substitute in treatment of osteomyelitis[J].Bone,2010,47(2): 212-218.

[28] Romanò CL,Logoluso N,Meani E,etal. A comparative study of the use of bioactive glass S53P4 and antibiotic-loaded calcium-based bone substitutes in the treatment of chronic osteomyelitis: a retrospectivecomparative study[J]. Bone Joint J, 2014, 96(6): 845-850.

[29] Liu X,Xie Z,Zhang C,etal.Bioactive borate glass scaffolds:invitroandinvivoevaluation for use as a drug delivery system in the treatment of bone infection[J].J Mater Sci Mater Med,2010,21(2): 575-582.

[30] 盧旻鵬.載銀納米抗菌復合骨填充材料治療兔脛骨慢性骨髓炎的實驗研究[D].重慶：重慶醫科大學,2010.

[31] 廖紅勝,劉勇,楊述華,等.納米羥基磷灰石/膠原材料復合硫酸慶大霉素緩釋系統體內釋放實驗[J].華中科技大學學報(醫學版),2010,39(6):822-824.

[32] Walsh D,Furuzono T,Tanaka J.Preparation of porous composite implant materials byinsitupolymerization of porous apatite containing epsilon-caprolactone or methyl methacrylate[J].Biomaterials,2001,22(11): 1205-1212.

doi:10.3969/j.issn.1674-2257.2016.01.033

通信作者：△孫鴻濤，E-mail:1197347460 @qq.com

【中圖分類號】R681.2

【文獻標志碼】A

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1705.R.20151222.0904.030.html

·綜述·