水凝膠在治療類風濕關節炎和骨關節炎中的研究進展*

崔璟怡，崔亞洲，趙燕

(山東第一醫科大學 生物醫學科學學院，濟南 250021)

引言

關節炎(Arthritis)，尤其是類風濕關節炎(rheumatoid arthritis, RA)、骨關節炎(osteoarthritis, OA)等炎癥性關節炎，在全球的發病率高。目前引發關節炎的具體病因及發病機制尚不清楚，且無有效的治愈方法。在關節炎的藥物治療中，常用的消炎藥物有顯著的副作用，易增加心臟病和其他心血管疾病的患病風險[1]。因此，關節炎患者迫切需要新的治療模式以減輕不良反應。本文對近年來水凝膠在治療類風濕關節炎和骨關節炎中的應用進行了歸納整理，并對其未來的研究方向進行展望。

1 水凝膠

1.1 水凝膠的發展

水凝膠是三維、不溶性的交聯聚合物[2]，能夠在膨脹狀態下保留大量水和生物液體。按照來源不同，水凝膠可分為天然水凝膠和合成水凝膠，天然水凝膠的來源包括殼聚糖、透明質酸、明膠等，合成水凝膠的來源包括聚乙烯醇、丙烯酸、聚丙烯酰胺等。

合成水凝膠經過不斷改進，已成為一種重要的醫用生物材料。Wichterle等[3]在1960年首次合成了交聯的HEMA水凝膠。由于水凝膠植入活體后，無刺激性反應，因此，開始被用于眼球摘除后的填充以及制造隱形眼鏡等，并引起廣泛關注。

傳統合成的水凝膠的力學性能和靜態性能差且無法完全復制細胞微環境[4]，已無法滿足應用要求。20世紀70年代初，科學家們發現了能夠對外界環境刺激做出響應的刺激響應水凝膠，該水凝膠可對許多刺激做出響應，包括溫度、壓力、光、磁場等物理刺激；pH、離子濃度等化學刺激；抗體、酶、細胞因子等生化刺激，顯著拓展了水凝膠的應用領域。

第三代水凝膠對其交聯方法進行了改進，利用物理相互作用(如包合絡合、立體絡合、金屬-配體配位和肽相互作用等)的交聯方式[5]，將物理相互作用與疏水等相互作用結合起來，改善了水凝膠的力學特性和釋放特性，使其應用得到進一步的拓展。

目前，有機化學和材料化學等學科飛速發展，納米技術、聚合物合成等被用于水凝膠的研究，極大地推動了水凝膠領域的發展，開發出了具有特殊結構和新功能的“第四代水凝膠”。

1.2 水凝膠在生物醫學中的應用

水凝膠作為一種具有可控力學性能和生物相容性的新型生物材料，被廣泛應用于組織工程和藥物遞送研究[6-7]，其不僅保留了所含納米粒子的完整結構和功能，還具有工程靈活性。目前，水凝膠被廣泛應用于藥物控釋，可將藥物封裝在水凝膠網絡中來實現擴散、溶脹及控釋。

對于一般藥物遞送機制，納米顆粒制劑能夠精確調節藥物分子的時空分布。在部分疾病治療中，當暴露在外部刺激下時，納米顆粒會進行物理、化學變化，使藥物能夠在靶點優先釋放。而在各種納米生物材料中，水凝膠由于具有與軟/硬組織相匹配的可調節的生物學、化學、物理和機械特性，可以模仿細胞微環境的許多方面，因此，在生物醫學應用中具有巨大優勢[8]。水凝膠在關節炎治療中的應用，見圖1。在實際臨床應用中，其特性需要與其它物質組合來實現其功效[9-10]。

圖1 水凝膠在關節炎治療中的應用Fig.1 The application of hydrogels in the treatment of arthritis

2 水凝膠在關節炎治療中的應用

2.1 水凝膠遞送系統與類風濕關節炎

RA的病理生理學與免疫系統失衡導致中性粒細胞、巨噬細胞和淋巴細胞高度浸潤，以及滑膜內襯細胞的增殖有關。抗風濕藥物(DMARDs)是治療類風濕關節炎的常用藥物[11]，但常規DMARDs均有一定的副作用，如甲氨蝶呤、來氟米特和柳氮磺胺吡啶會引起胃腸道不適(惡心、腹痛、腹瀉)、皮疹/過敏反應、骨髓抑制、肝毒性以及嚴重感染[12]。為緩解該情況、提高藥效，研究人員改善了藥物遞送系統，建立了幾種聚合物水凝膠[13]作為組織工程中生物活性物質甚至細胞的傳遞載體，其最主要的輸送藥物優勢是可以改變藥物藥代動力學。

Chiang等[11]研究了一種關節內光熱負載的可注射的甲基纖維素(MC)聚合物水凝膠載體，包括雷奈酸鍶(SrR)和氯化鈉(NaCl)。通過兩種離子(NaCl、SrR)來調節溶膠特性，添加NaCl的水凝膠，其儲能模量G′達104Pa，損耗模量也強于未添加NaCl的水凝膠，并且凝膠化時間隨SrR濃度的增加而縮短。研究通過創建RA大鼠模型，在關節處給藥，并在大鼠膝蓋處進行近紅外光譜分析，用體內成像系統 (IVIS) 測試體內藥物釋放。結果表明，負載有SrR的凝膠體系在測試的300 h內，緩慢持續釋放SrR，而游離的SrR在100 h以內釋放約75%。該凝膠系統通過活性SrR的持續長期釋放，以抑制RA癥狀。該藥物載體系統保持了細胞活力，并發揮了抑制炎癥的功能。

為克服不良反應并提高地塞米松 (Dex) 在類風濕關節炎 (RA) 中的治療效果，Wang等[14]開發了一種以殼聚糖-甘油-硼砂為載體的關節內注射地塞米松的溫敏水凝膠 (DLTH)，來緩解炎癥和疼痛。該水凝膠在室溫下為液體，而在37℃時則變成均勻的半固體。該研究發現DLTH聯合注射可通過下調NF-κb通路的轉錄活性來阻止滑膜炎癥過程，而關節內DLTH可能通過調節炎癥和疼痛傳導過程來幫助RA疼痛的調節。

甲氨蝶呤 (MTX) 是治療類風濕關節炎的一線藥物，然而，因其溶解度和滲透性差、血漿半衰期短及生物利用度低，口服效果并不理想。此外，口服MTX還會導致黏膜潰瘍、食欲不振、肝毒性和腎毒性等[15-16]。基于此，Qindeel等[17-18]采用水凝膠遞送MTX來治療RA，即采用基于MTX納米膠束的水凝膠應用于RA小鼠。此方法相較基于脂質的MTX制劑用于透皮給藥，穩定性更好。制備的聚己內酯-聚乙二醇-聚己內酯三嵌段共聚物的臨界膠束濃度(CMC)為0.54 μg/mL，低的CMC表明制備的NMS的穩定性越高，以桉樹油為促進劑的水凝膠系統的擠出性能測試為95.98±1.12，鋪展度為(6.1±0.25) cm/s，保留時間為(8.15±1.65) h，適用于MTX的載藥。實驗表明，所制備的納米載體系統使MTX在血液循環中的存在時間更長，擁有較高的生物利用度，比游離MTX更容易在RA關節中積累，提高了治療效果。此外，與游離MTX相比，基于MTX納米膠束的水凝膠顯著降低了肝毒性，并且不會激活免疫系統，不僅為治療RA提供了一個穩定、安全、有效的方法，還可減輕目前療法的不良反應。

2.2 水凝膠藥物與骨關節炎

OA的藥物治療在減少疼痛和改善運動功能方面有一定的效果，然而，非甾體抗炎藥(NSAID)、曲馬多和其他阿片類藥物有嚴重的不良反應。對于有影像學證實的中度和重度疼痛OA患者，可以考慮關節置換[19]。對于早期或輕度OA的治療主要為飲食、藥物等方面的治療，因此，降低藥物不良反應及提高藥物治療效果尤為重要。對此，研究人員考慮將納米材料水凝膠運用到OA治療中，為OA的治療提供新策略。此外，軟骨缺損是OA的主要癥狀之一，而水凝膠是一類有彈性的生物材料，表面光滑，含水量高，有利于軟骨再生[20]。

Lei等[21]提出具有自我更新水化層的可注射水凝膠微球(HM)可緩解骨關節炎。HM是微米級的球形水凝膠，包含三維交聯的親水聚合物[22-23]，其具有較好的可注射性和生物相容性，可通過滾動機制減少滑動界面的摩擦，是一種生物潤滑劑[24]。脂質體(Lipo)的平均粒徑為(102.3±35.2) nm，多分散指數為0.132，具有良好的分散性。對新制備的Lipo@HMS進行3 600 s的摩擦試驗，測得其初始摩擦系數值約為0.04，隨后下降并穩定在0.03左右，這表明Lipo@HMS能夠持續潤滑，在HMs中加入脂質體可提高藥物輸送系統的穩定性，利于局部藥物輸送和控制藥物釋放[25]。該實驗利用基于透明質酸的雷帕霉素脂質體(RAPA@Lipo@HMs)，來減少關節軟骨的摩擦，該脂質體可以通過增加自噬來維持細胞穩態，減輕關節磨損并延緩骨關節炎的發展。

Park等[26]進行了一種名為Cartistem的干細胞藥物產品(即一種以培養擴增的異基因人臍帶血為來源的間充質干細胞和透明質酸水凝膠組成的復合物)的首次人體臨床試驗。該藥物應用在持久的軟骨再生方面效果顯著。目前對于骨關節炎中的軟骨損失無有效的再生治療方法，因此，研究人員認為基于干細胞和透明質酸水凝膠結合的藥物產品可提供一種新的治療選擇，以再生骨關節炎中磨損的軟骨。該實驗招募了患有Kellgren-Lawrence 3級骨關節炎和4級軟骨缺損的患者參加臨床試驗。在患者病變部位應用該藥物，患者100 mm VAS步行疼痛評分從移植前的49.1提高到移植后24周的19.3，國際膝關節文獻委員會IKDC主觀評分從移植前的39.1提高到移植后24周的63.2(P=0.018)。對患者進行7年的隨訪結果顯示，兩項分數均無明顯的惡化，治療效果得到改善和穩定，且在7年中未觀察到明顯的不良反應。并且參與者在移植3年進行MRI評估，平均相對DR1指數為1.44，表明再生軟骨中高糖氨基糖(GAG)含量與天然軟骨相當。

Zheng等[27]利用甘油磷酸開發了一種高分子絲素蛋白與聚賴氨酸改性殼聚糖聚合物比例為2∶8的可注射水凝膠，在進行的動物模型實驗中，負載有骨髓間充質干細胞的水凝膠術后12周的骨體積百分率達97.87%，證實其能夠對關節軟骨進行較好的修復。研究表明，用于骨缺損的水凝膠需要有較高的孔隙率，該水凝膠支架的平均孔徑為(38.45±3.55) μm，能夠為細胞粘附提供適宜的空間。此外，用于骨修復的水凝膠還要有較好的生物相容性[28]以及適宜的強度和降解速度[29]等。該水凝膠的壓縮彈性模量約為25 kPa，壓縮強度達80 kPa以上，能夠保證支架結構的完整性，并為細胞生長提供初始的機械支持。該水凝膠在PBS溶液中模擬了在蛋白酶XIV和溶菌酶存在的條件下的降解，8周降解56.3%，具有良好的降解率，可為新細胞提供足夠的生長空間。

OA易導致軟骨缺損，而一旦出現軟骨缺損，因組織自身的修復能力有限，且其中無血管、神經或淋巴組織存在，則不會明顯地再生[30]。臨床發現軟骨細胞和骨髓基質細胞 (BMSCs)等細胞可用于修復自體軟骨細胞和微骨折手術中的軟骨缺損，因此，可將細胞負載于水凝膠中，然后將其植入病變部位，或者通過向受損部位注入水凝膠以促進周圍的干細胞分化進行修復。基于此，開發以水凝膠為支架或傳遞因子來包裹軟骨細胞并促進干細胞的軟骨形成。由于水凝膠復合物提供的優良微環境，細胞的快速增殖可使細胞迅速占據水凝膠表面，從而通過細胞間互連誘導水凝膠自下而上自組裝成大孔支架。在無外部刺激的情況下，原位形成3D多孔結構，有助于營養物質的有效輸送，從而促進干細胞軟骨形成，可以在體內形成肉眼可見的軟骨組織[31]。水凝膠在RA和OA中的應用見表1。

表1 水凝膠在治療RA和OA中的應用Table 1 Application of hydrogel applications in the treatment of RA and OA

2.3 水凝膠用于骨及軟骨缺損治療

3D打印技術近年來發展迅速，被廣泛應用于醫療領域，如制造矯形器械[32]、醫用支架[33]、建立藥物遞送系統[34]、體外模型[36]等。軟骨缺損在臨床上常通過關節置換進行治療，但創傷大且費用高。水凝膠作為一種重要的醫用材料，3D打印可以更精確地對其進行形態塑造。因此，在醫療領域發揮了重要作用，尤其是在RA和OA 等疾病及軟骨缺損的治療中。Zhu等[36]利用3D打印機打印了軟骨細胞外基質和聚乙二醇二丙烯酸酯結合的PEGDA/ECM水凝膠支架。該支架的壓縮模量為148.2 kPa，在體外PBS溶液中模擬降解，4周支架降解31.6%，具有的機械特性和降解特性可為軟骨再生提供適宜的空間，并且在該水凝膠支架中加入的厚樸酚，能顯著抑制TNF-α、IL-1β和IL-6的釋放，對軟骨再生具有明顯的促進作用，能夠用于RA、OA骨及軟骨缺損的治療。

相比于3D打印，4D打印的物品具有隨時間而變化的性質，更具智能化，其打印的生物材料能夠模擬組織動態特性，具有的動態變化特性能更好地貼近生物體的變化，有利于RA和OA的骨及軟骨缺損修復。4D打印能夠通過計算機編程，并利用材料特性進行各種形態的塑造，未來有希望用于RA和OA患者的個性化治療。Ding等[37]開發了一種非均相單組分微片水凝膠(MFH)體系，將HMSC干細胞摻入到水凝膠中，載有HMSC水凝膠棒的“C形”軟骨基本未發生形變，并且通過定量測定骨細胞外基質成分糖胺聚糖(GAG)的水平發現，其含量逐漸增加，可證明載有HMSC水凝膠能夠有效地促進軟骨再生。

3 討論

對于類風濕關節炎，其治療藥物具有不同的作用模式，但臨床最常用的傳統抗風濕藥物[38]常具有不良反應。因此，人們開發水凝膠相關的聚合體來改善藥物遞送系統，結合水凝膠的藥物遞送，可有效改變藥代動力學，利于臨床上控制藥物的釋放頻率、作用區域(即釋放地點)及延長藥物在血液循環中的存在時間等。綜合來說，水凝膠藥物遞送系統可在減輕患者痛苦的同時，提高傳統抗風濕藥物在治療類風濕關節炎中的效果，但水凝膠藥物遞送系統的安全性、生物可降解性仍不明確，患者體內實驗具有一定的個性化傾向，并且關于其pH敏感性的相關研究也較少。

此外，在骨關節炎治療中，水凝膠作為生物潤滑劑，可用來修復軟骨缺損，但其在臨床使用中還存在如何為患者選擇最適合的藥物，以及水凝膠生物材料如何與軟骨更好地結合等問題。

4 總結

隨著醫學以及生物材料技術的發展，水凝膠納米載體系統未來的研究工作可能著重于開發與其它生物材料組成的復合體作為藥物載體，達到既可降低藥物本身的不良反應，又可更加精確地控制藥物運送到指定病變區域，并使藥物釋放的速度可控，甚至可以根據治療效果自發地改變藥物的釋放速度，以實現個性化精準治療。此外，水凝膠因具有類似軟骨組織的特征，也被開發并應用于體外或體內修復軟骨缺損。后續研究可能更加偏向于個性化治療與精準醫療，實現根據患者不同受累位置、程度，或者其它病變情況定制個性化水凝膠材料，實施精準治療，并取得更好的治療效果。