可注射溫敏殼聚糖/甘油磷酸鈉基水凝膠在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用進(jìn)展*

孫 斌 劉洪臣

水凝膠是一種親水性的多聚物的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)物質(zhì)，它能夠吸收和保留相當(dāng)一部分水份并使它們維持一定的形狀[1]，由于其親水的特性，被廣泛的應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域[2]。其最大的優(yōu)點(diǎn)在于它們可以在液態(tài)下復(fù)合細(xì)胞、治療性的藥物、生長(zhǎng)因子等，以內(nèi)窺鏡或者注射器等微創(chuàng)的方式將其植入體內(nèi)并且在原位形成凝膠。通常，它們以化學(xué)交聯(lián)或者物理交聯(lián)的方式使水凝膠在原位完成液態(tài)至固態(tài)(凝膠)的相轉(zhuǎn)變過(guò)程?；瘜W(xué)交聯(lián)是指通過(guò)光聚合反應(yīng)(photopolymerization)[3]，二硫化物粘合(disulfide bond)，或者由硫氫基、丙烯酸酯、砜基[4]等交聯(lián)劑引發(fā)化學(xué)反應(yīng)而引發(fā)凝膠化。物理交聯(lián)是指通過(guò)一些環(huán)境因素的改變，如pH值、溫度、或者二者共同的刺激引發(fā)凝膠化。由于物理交聯(lián)的水凝膠能在體外以很好的流動(dòng)性接種細(xì)胞等物質(zhì)，在體內(nèi)接受物理刺激迅速的轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)凝膠，而且避免了光的輻照，化學(xué)交聯(lián)劑的污染，以及在化學(xué)交聯(lián)可能引發(fā)的體積變化和產(chǎn)熱等缺點(diǎn)，所以近些年來(lái)，此類依靠溫度、pH刺激引發(fā)凝膠化的水凝膠系統(tǒng)尤為得到人們的廣泛關(guān)注[5]。

2000年，chenite等[6]利用酸性的殼聚糖溶液與β-甘油磷酸鈉(GP)制備了一種具有中性pH值，依靠溫度改變引發(fā)凝膠化的殼聚糖/GP基水凝膠系統(tǒng)。殼聚糖是一種可生物降解，具有天然抗菌性以及良好生物形容性的天然多聚體[7,8]。由于殼聚糖良好的生物性能，這種殼聚糖/GP基水凝膠系統(tǒng)成為人們研究的熱點(diǎn)。下面，我們就它的一些凝膠機(jī)制，以及在藥物緩釋及組織工程研究應(yīng)用等方面作一個(gè)綜述。

1.殼聚糖/GP基水凝膠的凝膠特性

殼聚糖是一種天然的陽(yáng)離子多糖,當(dāng)pH小于6.2時(shí)溶解于醋酸等酸性溶液中，當(dāng)高于這個(gè)數(shù)值則出現(xiàn)白色絮狀沉淀。Chenite首次在2000年，用高脫乙酰度的殼聚糖和甘油磷酸鈉混合，得到了pH值中性且在常溫下可長(zhǎng)時(shí)間保持液態(tài)的殼聚糖/甘油磷酸鈉(GP)復(fù)合物。這種混合物具有溫敏活性,即在室溫或低于室溫時(shí)可保持液態(tài)較長(zhǎng)時(shí)間,而溫度升高到生理體溫(37℃)后發(fā)生凝膠化。其研究小組進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)[9]，殼聚糖的脫乙酰度對(duì)于此殼聚糖/GP凝膠體系的影響較大。當(dāng)殼聚糖的脫乙酰度越低時(shí)，凝膠所需要的溫度越高，而且相應(yīng)凝膠化的時(shí)間也越長(zhǎng)一些。殼聚糖的分子量則對(duì)于凝膠溫度的影響不是很大。而當(dāng)殼聚糖的脫乙酰度以及濃度保持不變時(shí)，GP的濃度直接影響著凝膠的溫度，當(dāng)GP升高時(shí)，pH上升，凝膠溫度下降。與此同時(shí)，裸鼠體內(nèi)的炎性反應(yīng)實(shí)驗(yàn)也表明，殼聚糖/GP中殼聚糖的脫乙酰度越高其生物相容性越好[10]。

對(duì)于這種水凝膠的凝膠原理，人們到現(xiàn)在仍然沒(méi)有得出確切的結(jié)論，但是研究者對(duì)此還是形成了一些初步的認(rèn)識(shí)。起初，研究者認(rèn)為是由于加入了GP之后，由于溫度的上升，GP與殼聚糖之間的分子力上升而使得溶液中疏水作用的增強(qiáng)從而引起凝膠化[6,9，11]。但是隨后的研究認(rèn)為，由于溫度升高，兩者之間的離子間的分子作用力反而是降低的，是由于殼聚糖中的陽(yáng)離子胺基基團(tuán)與GP中的磷酸鹽陰離子發(fā)生質(zhì)子的轉(zhuǎn)換，才使得凝膠化形成[12]。之后的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，使用雙蒸水清洗的殼聚糖/GP基水凝膠中的N和P物質(zhì)是可以移除的，從而證明GP并沒(méi)有通過(guò)離子力或者共價(jià)力與殼聚糖相交聯(lián)[13]。所以，殼聚糖/GP基的水凝膠屬于物理交聯(lián)的水凝膠，相比其他一些用化學(xué)交聯(lián)劑制備的殼聚糖及其衍生物水凝膠，其制備方法顯得更加綠色環(huán)保。

2.殼聚糖/GP基水凝膠作為緩釋系統(tǒng)的應(yīng)用

由于殼聚糖/GP基水凝膠的pH值接近中性，而且是通過(guò)物理交聯(lián)的水凝膠，在交聯(lián)的過(guò)程中避免了使用化學(xué)交聯(lián)劑，所以它非常適合作為一些敏感大分子如蛋白質(zhì)及肽類藥物的載體。Ruel-Garie′py等人[14]首次將殼聚糖/GP應(yīng)用到藥物緩釋的研究。隨后，他們又嘗試殼聚糖/GP對(duì)親水性小分子類脂質(zhì)體的緩釋，也取得了良好的效果[15]。2004年，研究小組又將另一種疏水性的抗腫瘤藥物紫杉醇與殼聚糖/GP水凝膠復(fù)合[16]，發(fā)現(xiàn)紫杉醇在殼聚糖/GP中體外緩釋的時(shí)間超過(guò)了一個(gè)月。在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中他們將復(fù)合藥物的凝膠直接注射到鼠的乳腺腫瘤中，對(duì)腫瘤的抑制作用明顯，且相比較傳統(tǒng)的藥物使用方法，這種局部用藥具有全身毒性作用小的優(yōu)點(diǎn)。最近，Sung wooKim等人[17]利用殼聚糖/GP復(fù)合另一種用于腫瘤化學(xué)治療的鞣花酸(ellagic acid)，發(fā)現(xiàn)其對(duì)兩種腦部腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)有著明顯的抑制作用。

Wu等[18]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)緩釋藥物時(shí)，殼聚糖/GP水凝膠在酸性或堿性條件下均發(fā)生較強(qiáng)的突釋，而在用季銨鹽殼聚糖與GP構(gòu)建的水凝膠中，藥物緩釋顯得較為緩慢。隨后，其研究小組還利用聚乙稀醇(PEG)與殼聚糖交聯(lián)，制備了殼聚糖-PEG/GP水凝膠體系用作鼻類藥物載體，發(fā)現(xiàn)其無(wú)毒性，而且有利于親水性大分子藥物鼻內(nèi)的黏附釋放[19]。吉秋霞等也利用改性的季銨鹽殼聚糖與GP制備水凝膠緩釋洗必泰，發(fā)現(xiàn)其對(duì)某些牙周致病菌有著良好的抑制作用[20]。此外，第四軍醫(yī)大學(xué)馬志偉等人[21]嘗試?yán)脷ぞ厶?GP溫敏水凝膠雙緩釋骨形成蛋白和氯己定用于牙周組織再生的初步實(shí)驗(yàn)研究，也取得了一定的效果。由此可見(jiàn)，殼聚糖/GP基水凝膠能適用于多種用途的緩釋。

3.殼聚糖/GP基水凝膠在組織工程及再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

3.1 軟骨組織工程的應(yīng)用

由于局部血供不足，膝關(guān)節(jié)軟骨的自我再生能力很差，細(xì)胞治療就被認(rèn)為是很希望的軟骨再生的修復(fù)方式，但在軟骨細(xì)胞的培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過(guò)三四代培養(yǎng)后，軟骨細(xì)胞往往失去分泌軟骨基質(zhì)的能力。而殼聚糖在結(jié)構(gòu)上與軟骨基質(zhì)中的糖胺聚糖(GAG)以及透明質(zhì)酸很相似，所以Hoemann等人[22]利用殼聚糖/GP水凝膠模擬軟骨的細(xì)胞外基質(zhì)復(fù)合軟骨細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞在支架中生長(zhǎng)良好，仍然發(fā)揮其軟骨細(xì)胞表型。隨后，其研究小組將殼聚糖/GP與自體血相復(fù)合，進(jìn)行一系列的體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)，成骨的在軟骨缺損的動(dòng)物模型上取得了成功的軟骨再生[23-25]。國(guó)內(nèi)的研究者將羥乙基纖維素(HEC)加入殼聚糖/GP中提高了其力學(xué)性能，也在山羊的膝軟骨缺損模型中取得了修復(fù)成功[26]。除此之外，殼聚糖/GP優(yōu)越的可注射性能使得軟骨缺損的微創(chuàng)治療變得十分的可行，具有十分良好的臨床應(yīng)用前景。

3.2 骨組織工程的應(yīng)用

殼聚糖很早就被作為支架材料單獨(dú)或者聯(lián)合的應(yīng)用到骨組織工程中，被證明其具備良好的骨傳導(dǎo)性能，以及一定的促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖的作用[27]。Kyung Sook Kim等人[28]嘗試將鼠肌肉來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞與殼聚糖/GP復(fù)合，同時(shí)在殼聚糖/GP中預(yù)先混合了一定比例的成骨誘導(dǎo)液，將其植入裸鼠皮下，四周后的組織切片的von kossa染色陽(yáng)性，而且同時(shí)還發(fā)現(xiàn)支架中復(fù)合的間充質(zhì)干細(xì)胞對(duì)侵潤(rùn)的宿主炎性細(xì)胞有免疫抑制作用。其研究小組還發(fā)現(xiàn)，骨組織工程中使用最廣泛，研究最多的骨髓來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞也在殼聚糖/GP水凝膠中生長(zhǎng)良好[29]。他們認(rèn)為殼聚糖/GP有著良好的骨組織工程支架材料應(yīng)用潛力。

3.3 心肌組織工程

心肌梗塞造成心肌細(xì)胞缺失，對(duì)局部缺血以及壞死部位的細(xì)胞治療面臨著移植細(xì)胞的存留率以及存活率不高的困境，國(guó)內(nèi)軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院盧文寧等人[30，31]嘗試將胚胎干細(xì)胞加入到殼聚糖/GP水凝膠中，植入到局部心肌梗塞的鼠模型中，四周后，梗塞區(qū)域的心臟功能，心室壁厚度，以及血管密度均顯著高于對(duì)照組。他們認(rèn)為殼聚糖/GP水凝膠是一種非常適宜的心肌細(xì)胞載體能被應(yīng)用于心肌組織工程。

3.4 其他

和軟骨組織一樣，髓核也是一種無(wú)血管的組織，其自身的再生能力很差，Roughley等人[32-34]將殼聚糖/GP與髓核細(xì)胞相復(fù)合，一系列的體內(nèi)體外研究顯示，殼聚糖/GP水凝膠也取得了良好的髓核再生修復(fù)的效果。此外殼聚糖/GP還被應(yīng)用到神經(jīng)及腦再生修復(fù)等領(lǐng)域中[35，36]。

4.小結(jié)與展望

綜上所述，殼聚糖/GP基水凝膠是一種良好的細(xì)胞與藥物的載體，可以被用于藥物緩釋以及組織工程等眾多領(lǐng)域。但是，雖然殼聚糖/GP水凝膠在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的多個(gè)方向已經(jīng)有所建樹(shù)，但它也存在著一些自身的缺點(diǎn)，如力學(xué)性能較差。此外，單一使用一種材料構(gòu)建的支架材料作用比較有限，今后，我們可以嘗試將殼聚糖進(jìn)行改性，如之前提到的季銨鹽殼聚糖，或者與一些合成的高分子多聚物如聚乙烯醇(PEG)、聚乙烯亞胺(polyethyleneimine，PEI)等進(jìn)行接枝，又或者與其他的一些天然或者合成的生物性能好的材料比如膠原，PLGA，TCP等與殼聚糖進(jìn)行有效的物理交聯(lián)，力圖發(fā)揮各自材料的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)對(duì)方的缺點(diǎn)，構(gòu)建一種能發(fā)揮多種功效的智能的復(fù)合型水凝膠支架材料。

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