輸尿管支架涂層的研究進展

郝偉玉

(太原市人民醫院,山西 太原 030001)

輸尿管支架自20世紀70年代在臨床首次使用以來,已廣泛用于解決上尿路梗阻問題,通過輸尿管支架支撐作用,保持尿液引流通暢,但是長期留置支架,易產生細菌定殖,形成生物膜,引起腎盂腎炎、敗血癥等并發癥,也容易結殼,從而導致支架梗阻、移位、引流不暢、斷裂,造成置管失敗。

1 留置輸尿管支架失敗的原因

1.1 支架表面形成生物膜

輸尿管支架置入人體內24 h后取出,90%支架表面檢測出有細菌定植。細菌定植的開始階段,細菌和支架表面的粘合力是可逆的,親水性和靜電作用較弱,但隨著時間的延長,這個親和力越來越強,細菌最終牢固吸附在支架表面,而且會分泌表多糖物質,形成細胞外聚合物(EPS),再逐漸形成生物膜。隨著細菌微生物群落繁殖,支架表面蛋白質和EPS增多,細菌分泌的表多糖層層覆蓋生物膜,細菌層就相應被隔離。生物膜隔絕的細菌,不易受到抗菌藥物干擾,易產生耐藥性。生物膜中細菌最小抑菌濃度是懸浮狀態細菌的1 000倍。生物膜的隔絕作用為細菌等微生物提供了溫床,導致慢性感染。2019版的歐洲泌尿外科指南指出,當結石術后出現輸尿管管壁損傷、結石殘留、出血、感染、合并妊娠時,推薦留置輸尿管支架1～2周,而細菌2周內就會發生定植,時間越長,感染概率越高,所以長時間低劑量使用抗生素,并不能降低感染風險,也不能預防尿膿毒血癥。

1.2 支架表面結殼

支架表面形成生物膜后,細菌繁殖產生尿素酶,尿素酶將尿素水解為氨和氨基甲酸酯。氨離子偏堿性,導致尿液pH值升高,促進鈣和磷酸鎂離子沉積,使支架表面形成結晶體,最終形成結殼。9.2%～26.8%患者會在6周內結殼,47.5%～56.9%患者會在6～12周結殼,75.9%～76.3%患者會在12周結殼。無癥狀感染者在支架留置3～6周內,可觀察到低濃度的厭氧菌,如奇異變形桿菌、產氣克雷伯氏菌、摩氏摩根菌、肺炎克雷伯桿菌。結殼會影響輸尿管蠕動,導致患者出現腰困、尿頻等臨床癥狀,甚至需提前取出支架。為減少支架不良反應,相關研究以減少細菌定植為主。使用涂層覆蓋支架表面是目前的研究熱點,以抗菌和防黏附涂層為主。

2 抗菌涂層物質

2.1 抗生素

將導管浸漬在含有抗生素的有機溶劑中,如環丙沙星、慶大霉素、諾氟沙星、呋喃西林等,溶劑揮發后,形成涂層。相比于銀合金涂層,抗生素呋喃西林能夠較好地抑制糞球菌、大腸桿菌、表皮葡萄球菌、銅綠假單胞菌等,抑制支架形成生物膜,且成本更低。但在動物模型研究中,呋喃西林容易引起乳腺和卵巢的腫瘤[1]。目前主流抗生素方案是洗脫類支架,它可以緩慢釋放抗生素,常含有多種相互協同抗生素,而單獨使用某種藥物(比如利福平),則很快產生抗藥性[2]。而抗生素的濫用和耐藥性問題,已成為抗生素洗脫類支架研究的難點。

2.2 銀

銀是目前得到美國食品藥品監督管理局(FDA)批準的少數抗菌劑之一,它的殺菌機制為損傷微生物細胞膜、影響鐵離子合成和蛋白合成、降低細胞氧化應激能力。銀的涂層目前有三種類型:銀合金、銀聚合物、銀納米粒子。使用納米銀-聚四氟乙烯聚合物(Ag-PTFE)涂層導管,與無涂層對照組導管相比,能夠減少55.2%～60.3%細菌黏附,抑制生物膜形成的有效率為97.4%[3]。Gao等[4]使用金銀納米粒子包裹聚乙交酯-丙交酯,形成聚合體涂層,在16 d體外試驗中,支架持續具有抑菌性、低毒性;在7 d動物體內試驗中,導管強效抑制生物膜形成,減輕炎癥,最后自行降解。盡管大量文獻報道銀是安全有效的抗菌劑,但因成本高昂,缺乏大規模對照試驗,導致銀涂層導管并未大規模應用。目前研究的方向傾向于使用銀聚合物來減少毒性。

2.3 三氯生

低濃度三氯生可抑制細菌脂肪酸的合成,高濃度可通過影響細菌細胞膜和細胞質進行殺菌。該涂層不僅能夠抑制細菌,也能夠降低術后腎絞痛、尿痛、尿頻和尿急癥狀發生率。將三氯生與水性聚氨酯物形成涂層共載物,能夠明顯抑制細菌增殖,阻斷生物膜的形成,減少導管的結殼[5]。Henly等[6]比較三氯生、聚亞己基雙胍、氯化苯甲烴銨以及銀四種物質的大腸埃細菌的最低抑菌濃度、最低殺菌濃度、最小抑制生物膜濃度,結果顯示,三氯生具有快速、良好的抗菌敏感性。而生物相容指數為聚亞己基雙胍>三氯生>氯化苯甲烴銨>銀,因此,三氯生使用舒適度良好。盡管三氯生應用前景良好,但因潛在細胞毒性和細菌耐藥性,目前仍是FDA的觀察藥物。

2.4 抗菌肽

抗菌肽是一種小分子蛋白,一般包含10～50個氨基酸,主要是賴氨酸和精氨酸,可直接調節機體免疫功能,或者間接刺激機體產生抗體。抗菌肽抗微生物靶點較多:抑制細菌細胞壁的合成;抑制DNA,RNA以及蛋白質的合成;更改細胞膜的通透性;抑制酶的活性。抗菌肽的多點打擊導致細菌幾乎不可能出現耐藥性。

Yao等[7]將錨定的貽貝多肽和抗菌肽以疊氮基形式組合,該涂層在體內和體外試驗中都顯示出良好抑菌和防結殼能力。Yu等[8]制成新型聚合物刷,將抗菌肽移出至支架表面,阻止EPS的形成。盡管體內實驗效果顯著,但抗菌肽聚合物刷具有局部毒性,對pH敏感,反復使用易對蛋白水解酶過敏,合成成本較高,從而限制其應用。

2.5 其他

季銨鹽含有龍膽紫和氯己定新型殺菌劑,可制成洗脫支架。在體外培養條件下,使用2%季銨鹽涂層,能夠抑制多種陽性菌和陰性菌的黏附和增殖,抑菌時間長達1～2周。殼聚糖是一種天然陽離子物、生物可降解的多聚糖、弱性聚電解質物。一般認為它可以增加細菌細胞膜通透性,但具體作用尚不明確。因殼聚糖有易溶性,從而限制了其應用。為加強殼聚糖涂層的吸附和抗菌能力,研究人員將殼聚糖脂肪酸化,形成多肽鏈聚合物涂層,在體外細菌培養條件下,可明顯抑制金黃色葡萄球菌[9]。而利用殼聚糖易溶性的特點,可制成自然降解支架,也可冷鑄成多孔的殼聚糖涂層支架,與普通的8Fr支架相比,流體動力學性能提高17%[10]。肝素是經硫酸化的黏多糖物質,具有強大抗凝作用,也可抑制微生物的繁殖。肝素的涂層方法有三種:簡單物理吸附、聚合物包裹、通過載體形成共價結合體。目前研究認為第三種方式效果佳。體內和體外實驗中,使用肝素-L賴氨酸-銅形成納米共價結合體涂層,可抑制奇異變形桿菌增殖和生物膜形成,支架上結殼(鈣和鎂)也隨之減少[11]。動物實驗中,將肝素制成可降解支架涂層,在48 h內可降低18%細菌感染率,同時并不影響支架降解速度[12]。

3 防黏附涂層

防黏附涂層通過在導管表面形成親水隔斷層,防止細菌黏附,阻止生物膜的形成。水凝膠是一種親水性聚合物,可吸收大量水分子形成薄層結構,具有超滑特性,對機體刺激小。通過水凝膠形成支架聚合物,可以較好防止細菌黏附。Szell等[13]在體外實驗中,將N,N-二甲基丙烯酰胺多(PDMMA)聚合水凝膠制成涂層,可有效防止細菌黏附,并且通過排斥細菌蛋白,能夠減少約5倍細菌數量。Laurenti等[14]將水凝膠-氧化鋅制成高分子聚合物,在偏酸和堿性環境中,鋅離子也可以穩定釋放。

聚乙烯吡咯烷酮(PVP)是一種親水性聚合物,它可吸收自身重量40%的水分,具有超滑、防黏附的特性,可減少細菌黏附和繁殖。使用PVP交聯的輸尿管支架,與聚氨酯輸尿管支架相比,組織相容性較好。

聚乙二醇(PEG)有聚醚結構,能夠結合兩個水分子,減少導管的摩擦系數,增加流體能力。聚乙二醇具有抑菌和抑制生物膜形成作用,它的缺點是錨定分子密度小,容易出現水解,尤其在溫度變化時,易產生氧化反應。為克服這些困難,研究人員將一種新型物質3-4苯丙氨酸(DOPA)黏附在PEG表面,同時加入銀離子形成共聚體,可減少細菌黏附,增強抗菌能力[15]。兔膀胱炎模型體內試驗中,DOPA-PEG能夠明顯減少尿道內大腸埃細菌的數量[16]。

聚四氟乙烯是在研究含氯氟烴制冷劑時被發現的,擁有超強的疏水性,摩擦系數只有0.05～0.1,且可對抗細菌黏附的初始力,所以可抑制細菌增殖。使用納米銀-聚四氟乙烯聚合物涂層導管,不僅能夠明顯減少細菌黏附[3],也能延遲導管阻塞的時間[17]。但也有臨床個案報道[18],因為其具有超滑性,輸尿管支架回縮盤曲在輸尿管上段,導致取管困難。

4 總結和展望

目前市場上涂層主要以銀合金和抗生素為主,隨著材料學的發展,不同材料相互聚合,并混合使用納米等技術是今后研究的熱點。目前涂層抑制抗生素的標準不統一,而臨床的研究又相互矛盾,導致開發新型涂層相關研究的側重點不同。由于導管的尿流動力學系數較少,使臨床推廣困難。目前尚沒有開發出安全無任何并發癥的支架,相信隨著技術的不斷迭代,相關標準的建立,輸尿管支架涂層將會蓬勃發展。