局部載藥緩釋系統在脊柱結核中應用的研究進展

楊軍 鄧強 李軍杰 王雨榕 杜健強 陳博 張麗娟

脊柱結核發展后期常見脊柱結構損傷,影響脊柱穩定性,并伴有脊髓或神經功能損傷等嚴重并發癥[1-2]。外科治療通常在規范抗結核治療的基礎上進行病灶的徹底清除及骨缺損的修復重建,并通過術后規范的抗結核藥物治療來保證手術效果及防止術后復發[3]。但術中病灶區域放置的抗結核藥物容易被血液稀釋或經其他途徑損失,出現局部藥物濃度由高迅速降低的現象,治療效果不佳[4-5]。由于骨結核病灶中常形成干酪樣壞死和死骨碎片,使得病灶區域血液供應減少,難以保證全身給藥在壞死病灶處形成有效藥物濃度,影響治療效果,加之全身用藥發生藥物不良反應多,患者依從性差,極易產生耐藥[4, 6]。局部載藥緩釋系統(drug delivery system,DDS)是指以一種或多種材料的人工骨作為載體,將藥物負載于該載體上,植入植骨部位,使藥物按照預先設計的劑量,在要求的時間范圍內以一定的速度在體內緩慢釋放的一種新型給藥系統,其優勢在于可以起到良好的支撐和修復作用,提高病灶局部藥物濃度、減少全身藥物不良反應[3, 7]。因此,如何制備治療脊柱結核的長效緩釋藥物的載體也成為目前研究的熱點。筆者就目前局部載藥緩釋系統研究現狀及應用價值進行綜述,為將載藥緩釋技術應用于脊柱結核外科治療中提供依據和今后的研究方向。

一、脊柱結核外科治療現狀

抗結核藥物治療是脊柱結核治療的重要支柱,也是治愈脊柱結核的根本,而外科治療是治療脊柱結核的另一重要手段。目前,病灶清除、植骨融合和內固定術是開放手術治療脊柱結核最常用的方式,在清除結核病灶、矯正脊柱后凸畸形、緩解脊髓和神經壓迫癥狀、重建椎體穩定性等方面效果明顯[8]。同時,在骨缺損部位放置抗結核藥物是目前多見的局部治療方式,但存在藥物濃度易被稀釋、局部濃度迅速降低、治療效果不佳的情況[9]。

二、DDS治療脊柱結核研究現狀

抗結核藥物是治療脊柱結核的基礎,盡管抗結核新藥研發對于遏制結核病流行至關重要,但DDS作為一種新的治療脊柱結核的方法,在脊柱結核動物模型體內的藥物緩釋性獲得了令人滿意的結果,有望實現維持治療過程中局部藥物高濃度和修復重建病灶骨缺損的雙重效果[10]。其不僅可以修復術后結核病灶骨缺損,還可以在較長時間內維持局部抗結核藥物高濃度,達到更好的殺菌或抑菌效果,并能夠減少全身給藥對肝腎造成的不良反應[11-12]。

載藥緩釋概念在治療感染性骨缺損方面具有重要意義[10, 13]。常見負載藥物為異煙肼、利福平、吡嗪酰胺、莫西沙星等其中1種或2種,但由于目前的研究均處于實驗室階段,以及抗結核藥物也對實驗動物器官造成了較大的損傷,使得目前多使用單一異煙肼、單一利福平或二者組合,個別實驗也有三聯用藥,但對于何種使用方式的療效更好還未見相關報道,也難以形成對負載藥物使用的統一共識[14]。另外,藥物釋放治療結核性骨缺損的相關臨床試驗也罕見報道。因此,對載體材料和藥物負載方式與藥物緩釋性能之間關系的研究至關重要。

三、常見脊柱結核載藥緩釋植骨材料及研究現狀

結核病灶骨缺損中植入載體材料既可填充缺損骨組織,也可緩慢釋放抗結核藥物,并通過載體緩慢降解最終被新生骨組織逐步替代。理想的抗結核藥物局部緩釋材料應具備以下特點[12,15]:(1)材料來源充足;(2)良好的力學性能和易塑形性;(3)良好的骨傳導性和骨誘導性[16];(4)良好的生物相容性;(5)穩定可控的降解性。目前,載體材料大致可分為無機材料、高分子材料和天然有機材料3大類(表1)。

表1 常見載體材料分類及優缺點

(一)無機材料

主要包括羥基磷灰石和磷酸鈣骨水泥等。

1.羥基磷灰石:是骨骼的主要無機成分,具有良好的生物相容性和骨傳導性,但其機械性能較差,降解速度慢,很難作為骨組織工程材料單獨應用,通常在添加特定的增強材料變為堅韌的復合材料后被廣泛應用[17-19]。吳鵬等[20]將制備的載異煙肼和利福平的納米羥基磷灰石-半水硫酸鈣人工骨植入新西蘭兔脊柱結核模型病灶,發現載藥人工骨在兔脊柱結核病灶局部緩釋治療的同時還能夠起到良好的骨融合及骨修復重建的作用。劉昌昊等[21]以納米級羥基磷灰石為載體,制備含PA-824、莫西沙星和吡嗪酰胺的骨形態發生蛋白緩釋微球3D打印人工骨,將其與骨髓間充質干細胞共培養,證實該人工骨具有獨特的空間結構和良好的生物相容性,能促進骨髓間充質干細胞增殖和成骨分化,是一種理想的骨組織工程材料。蔡則成等[22]在兔脊柱結核模型行病灶清除術后置入載異煙肼和利福平的納米羥基磷灰石-硫酸鈣-殼聚糖人工骨,采用高效液相色譜法測定病灶椎體及椎旁肌肉中的異煙肼和利福平的藥物濃度,發現藥物在局部釋放緩慢,第8周時檢測到藥物濃度降低至最低殺菌濃度,說明人工骨在兔脊柱結核模型病灶中可持續、長效地釋放抗結核藥物。近年來,脊柱結核已成為臨床上常見的肺外結核,但抗結核藥物治療周期長,療效并不理想。Wang等[15]采用溶劑蒸發法制備利福噴丁聚乳酸緩釋微球,并與羥基磷灰石/β-柱磷酸三鈣復合材料結合得到載藥緩釋復合物。研究發現復合物在體外藥物釋放時間較長,對細胞成骨分化沒有明顯抑制作用。進一步在建立兔脊柱結核病灶缺損模型中使用復合物植入病灶骨缺損,術后6周和12周通過肉眼觀察、免疫組化和Nilsson組織學評分均表明,該復合物對缺損組織有較好的修復作用,且實驗組兔的血紅細胞沉降率和C-反應蛋白均降至正常水平。這提示該復合物填充可能成為治療脊柱結核較有前途的方法。

2.磷酸鈣骨水泥(calcium phosphate cement,CPC):因其良好的生物相容性、骨傳導性、可塑形性,被廣泛應用于骨組織替代和修復領域中,已成為成熟的修復骨缺損材料[23-24];另外,CPC性質穩定,可緩慢降解,已被認為是骨骼系統理想的藥物載體[25-26]。Liu等[27]研制了一種負載淫羊藿苷的明膠微球CPC復合材料作為載藥緩釋植入材料,有效促進了骨形成和炎癥的緩解。董航等[25]發現載骨碎補總黃酮CPC具有促進骨結核病灶缺損模型大鼠誘導膜成骨的作用。但由于CPC屬于無機鹽材料,脆性較高,機械強度不足,很少作為脊柱結核骨缺損修復材料,臨床應用范圍有限。因此,進一步提高CPC的力學性能對于拓寬其臨床應用范圍非常重要。

磷酸三鈣是一種能促進骨愈合的骨缺損移植替代材料[28-29]。王震[30]以β-磷酸三鈣復合材料為支架,負載利福噴丁聚乳酸緩釋微球構建復合體,并將復合體應用于兔脊柱結核病灶缺損模型進行植入修復治療,結果顯示出良好的藥物治療及組織修復效果,且復合體在體內藥物釋放穩定,緩釋時間長,對兔成骨分化具有促進作用。

硫酸鈣/聚氨基酸作為骨缺損修復材料,植入后具有良好的生物相容性、骨傳導性和降解性,其負載的藥物可被持續釋放[31-34]。趙增輝等[32]采用原位熔融縮聚法合成硫酸鈣/聚氨基酸復合材料,通過兔體內實驗證實該材料在動物體內不會引起明顯的排異反應,具有良好的組織相容性和生物活性。王騫等[35]建立兔脊柱結核模型,在清除結核病病灶后將載三聯抗結核藥物的硫酸鈣/聚氨基酸人工骨材料植入骨缺損區,檢測植骨區域、鄰近肌肉及下腔靜脈血中的藥物濃度,發現抗結核藥物均可持續、緩慢釋放,局部藥物濃度及持續時間均高于全身血液用藥的濃度和持續時間。但因硫酸鈣降解過快使得該材料存在突釋現象。張卓等[36]在兔脊柱結核骨缺損模型病灶中植入載三聯抗結核藥物硫酸鈣/聚氨基酸人工骨,通過植骨融合部位的病灶骨組織病理學及電鏡觀察發現植骨材料逐漸分解,感染病灶處骨缺損逐步愈合,植骨融合效果滿意,提示以其為抗結核藥物緩釋載體可以有效修復感染性骨缺損。

(二)高分子材料

主要有聚乳酸、聚乙醇酸及聚乳酸/聚乙醇酸復合物(polylactic acid/polyglycolic acid composite, PLGA)等脂肪族聚酯類材料。此類材料是一種無毒、可降解的材料,具有良好的生物相容性和可塑性,已被美國食品藥品監督管理局和歐洲食品安全局批準為藥物緩釋載體材料而廣泛應用。鄔均等[37]通過乳化-溶劑揮發法制備了可用于持續抑制脊柱結核術后病灶殘留結核分枝桿菌的載利福噴丁/PLGA微球,發現其具有良好的控釋效果,是一種有效的抗結核緩釋劑型。范亞一等[38]采用上述方法制備出形態良好、大小均勻且體外釋放性能良好的載莫西沙星/PLGA緩釋微球,并將其用于脊柱結核的治療中。何胤等[39]同樣制備出利福平(RFP)/PLGA緩釋微球,發現其在突釋期內累計釋放度達42%,至12 d時累計釋放度達62%,證實RFP/PLGA微球具有良好的緩釋效果,也是一種適宜的抗結核藥物載體材料。為了有效解決載三聯抗結核藥物硫酸鈣/聚氨基酸人工骨材料存在的突釋現象,研究者在前期研究的基礎上以PLGA涂飾載藥硫酸鈣/聚氨基酸人工骨表面,結果顯示,PLGA涂飾可以穩定、有效地控制載藥硫酸鈣/聚氨基酸人工骨的藥物釋放,增加釋放周期,使病灶局部藥物濃度長時間維持在較高的水平,充分發揮了人工骨局部抗結核治療的作用[35-36,40]。Liu等[10]制備了異煙肼(INH)/PLGA和INH/HA微球,利用卡介苗(BCG)菌株建立兔脊柱結核模型,并在缺損模型植入這兩種載藥緩釋微球,發現兩種材料均有良好的生物相容性,能夠在體內有效緩慢地釋放藥物,且INH藥物濃度持續高于最低抑菌濃度。

(三)天然有機材料

主要包括殼聚糖和膠原等天然有機材料,具有良好的生物相容性和可降解性。由于此類材料機械強度差或體內降解速度不受控制等原因,使其應用受到限制,目前多作為載藥微球與其他復合材料結合應用。Li等[41]將載藥磷酸三鈣浸漬殼聚糖和β-甘油磷酸鈉溶液制備成封裝水凝膠,術中放置于骨缺損部位,結果顯示其在初期即可抑制藥物突釋,并可長期保持藥物的釋放,提示該技術在體內可有效抑制骨結核病灶的破壞和炎癥,優于傳統局部載藥緩釋系統。Chen等[42]通過構建殼聚糖/碳納米管納米粒子來控制INH的緩慢釋放,延長了釋放時間,且釋放速率均勻,未觀察到突釋現象,明顯促進了骨結核病灶的愈合;他還將構建納米負載INH膠原植入物放置于實驗小鼠體內,發現其具有更好的藥物釋放性能、生物降解性和生物相容性[12]。

四、藥物負載方式

藥物負載方式主要影響放置藥物初始突釋性及緩慢釋放的時間。目前常用的藥物負載方法有物理負載和化學負載。化學負載涉及藥物與材料表面的官能團發生化學反應,具有反應過程復雜、藥物負載過程緩慢、不良反應不可預測等缺點,導致在局部載藥緩釋系統制備中常采用物理負載方式[43]。常見的物理負載方式包括包埋法、溶液吸附法和直接填充法等[44]。該方法操作簡單、易于實施,但存在劑量有限、釋放時間短、易發生突釋現象的缺點[45-47],多應用于PLGA微球負載和水凝膠負載等(表2)。

表2 物理結合藥物負載方式分類應用及優缺點

五、抗結核藥物緩釋系統在脊柱結核治療中的應用價值

(一)脊柱結核病灶骨缺損重建中骨修復的特殊性

結核病是特異性感染性疾病,感染后以椎體松質骨破壞為主,形成特異性感染性骨缺損,骨質破壞與骨修復同時存在,結核分枝桿菌在病灶區域內大量繁殖,骨缺損部位形成干酪樣壞死和死骨碎片,阻礙了新骨形成的修復過程。目前,外科治療主要以傳統抗結核藥物治療為基礎進行徹底病灶清除植骨融合術,不僅可將病灶死骨、膿腫、肉芽組織、干酪樣壞死和竇道等結核病灶組織徹底清除,還可剔除約4 mm硬化壁表面、切除多發空洞和病變性骨橋,直至見“亞正常骨”,并以無肉眼可見病灶及硬化壁剔除創面均勻、沙礫樣、明顯滲血為清除標志[48],繼而在局部噴灑抗結核藥物以局部抑制結核分枝桿菌。農家隆等[49]通過比較徹底與非徹底病灶清除術對脊柱結核患者的臨床療效進行Meta分析,結果發現徹底病灶清除術后復發率明顯降低,不良反應發生率少,且能明顯縮短化療時間及治愈時間,促進術后快速康復。但臨床實際治療后,脊柱結核術后仍存在1.28%～25%的復發率[50-51]。病灶骨缺損病理過程是骨破壞和骨修復相互競爭的過程,脊柱結核病灶清除、植骨可以重建脊柱缺損部位穩定性,借以局部載藥緩釋系統良好的生物相容性和載藥能力,能夠加速修復脊柱結核骨缺損過程[52-53]。

(二)載藥緩釋系統治療脊柱結核的實驗研究

穩定有效的抗結核藥物治療對脊柱結核的臨床治療至關重要。INH和RFP作為一線抗結核藥物,不能有效透過病灶區域死骨層,且藥物水溶性較好,極易吸收擴散,難以長期維持藥物有效滅菌濃度,影響治療效果。有研究表明,病灶局部低效化療是疾病遷延不愈的主要原因,脊柱缺損部位穩定性喪失也是治療失敗的重要原因[54]。因此,DDS將藥物治療和手術植骨恰當結合,不僅在病灶局部形成有效的滅菌濃度,抑制結核分枝桿菌生長,還可填補缺損、誘導骨融合,重建脊柱穩定性[55]。而且,隨著近年來醫用生物材料及科技的不斷進步,載藥緩釋系統在治療脊柱結核方面潛力突出,有著很大的應用前景。

1.抑菌能力:與傳統口服給藥模式相比,局部載藥大大提高了局部有效藥物濃度和滅菌率,利用率更高。朱禧[14]將構建3D打印負載新三聯抗結核藥物和納米羥基磷灰石抗結核人工骨植入兔脊柱結核骨缺損模型,通過時間殺菌實驗表明其對標準菌株及耐藥菌株均具有明顯的殺菌能力,且在植入3 d后開始表現出明顯的抑菌性能,10 d后已能徹底抑制結核分枝桿菌的生長和繁殖,有良好的成骨和抗結核性能。范鳳龍[56]通過構建兔脊柱結核骨缺損模型行病灶清除術后,在骨缺損處植入制備好的載INH、RFP羥基磷灰石-硫酸鈣納米骨,應用高效液相色譜法檢測局部藥物濃度,發現藥物在相同時點的病椎骨、椎旁肌中的藥物濃度相近,且明顯高于下腔靜脈血中的藥物濃度;同時也發現,病椎骨、椎旁肌中的藥物濃度至第10周后、下腔靜脈血中的藥物濃度至第2周后就難以檢出藥物成分,提示載藥納米骨在兔脊柱結核模型病灶中可持續釋放藥物,但藥物濃度隨時間延長逐漸下降,且局部藥物濃度及持續時間均高于全身血液中的藥物濃度和持續時間。

2.支撐修復作用:有實驗研究表明,通過構建脊柱結核骨缺損模型植入載藥復合人工骨,術后4周可發現實驗組人工骨材料與植骨界面模糊,骨橋形成,骨界面有成骨細胞及骨小梁形成;術后8周發現實驗組人工骨材料-骨界面緊密結合,新骨形成,提示復合人工骨在骨缺損區部位起到良好的支撐及修復作用[57],較傳統方式可明顯促進結核病灶骨愈合過程[58-60]。同樣,范鳳龍[56]的研究也證實了載藥人工骨緩釋的納米微粒可透過致密硬化骨,發揮骨骼細胞層面的治療與修復作用。

3.靶向輸送抗結核藥物:藥物成分無需經肝腎代謝,在提高局部治療效果的同時可減少全身給藥對肝腎及神經系統等造成的負擔[61]。

4.其他:一次給藥,長時間緩釋,可提高患者的治療依從性[62]。

六、總結

(一)DDS在脊柱結核中的應用研究挑戰

脊柱結核病灶中藥物濃度低、骨組織切除后骨缺損或骨移植后不愈合是脊柱結核治療過程中出現的主要問題。傳統的口服或靜脈注射抗結核藥物聯合病灶清除術不能產生令人滿意的治療效果,載藥緩釋技術和骨組織修復技術的結合是骨結核治療最有希望的選擇[63]。但目前的研究存在以下挑戰:(1)在目前的研究中,大部分的載體負載單一藥物,少數載體負載兩種抗結核藥物,未發現對含兩種以上藥物緩釋系統的研究。由于載藥緩釋系統體內藥物遞送緩慢,多藥聯用可提高藥物效果。因此,多種抗結核藥物有效負載是一項具有挑戰性的任務[13]。(2)構建載藥量大、可持續釋放并受控、骨誘導性良好等特征的DDS具有一定的挑戰性,載體材料的選擇和系統設計是研究關鍵[64]。(3)單一載體材料往往存在機械強度差、降解不可控、藥物緩釋控制性差等弊端,若能結合使用多種載體材料,則可以彌補以上缺點,提高機械強度和藥物緩釋速率及降解可控。(4)目前的DDS未能很好地應用于脊柱結核患者的治療中,主要是力學性能不能滿足脊柱受力的需要和未能解決放置初期藥物突釋現象的原因。

(二)應用展望

局部載藥緩釋技術作為一種新型的治療脊柱結核的方法,可通過微球、支架和水凝膠緩釋載體系統等物理方法實現載藥,在結核性骨缺損的研究中得到廣泛的應用。目前國內外對抗結核新藥、DDS及植骨人工骨材料等方面的研究發展迅速,結合它們的特點,制備成既具力學支撐性能,又能在局部穩定釋藥,還兼具成骨修復的理想植骨材料已成為目前的研究趨勢。

隨著復合人工骨材料研究的不斷發展,未來載藥材料修復結核性骨缺損的研究可能集中在以下幾個方面:(1)采用新的制備工藝提高載藥支架的機械強度和降解速率。如借助3D打印技術設計具有不同孔徑和孔隙率的材料來改變其物理化學性質。(2)改變載體表面或使載藥納米球/微球吸附到載體上,以提高生物活性因子負載率和緩釋藥物的效果。(3)在藥物載體上負載兩種或兩種以上的生物活性因子和抗結核藥物,以產生更好的治療效果,如生長因子組合抗生素修復結核性骨缺損。

綜上所述,進一步優化載藥方法、支架材料的選擇、制備工藝,采用多種載體材料結合多種制備技術方式,制備滿足臨床需要的載藥緩釋系統應該是載藥技術下一步的發展計劃。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻楊軍:文獻檢索和文章撰寫;鄧強:文章指導和審校;李軍杰和王雨榕: 工作支持、指導、支持性貢獻; 杜健強、陳博和張麗娟:支持性貢獻