經(jīng)人工耳蝸電極載藥的研究進(jìn)展

許木清 張宏征

南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院耳鼻咽喉科（廣州510280）

人工耳蝸植入(Cochlear implants,CI)是目前治療重度以上感音性聾的主要手段[1-3]。然而，人工耳蝸電極插入耳蝸導(dǎo)致的蝸內(nèi)創(chuàng)傷以及遠(yuǎn)期纖維組織的形成等，影響了人工耳蝸應(yīng)用效果。這些蝸內(nèi)組織變化一方面來源于電極插入導(dǎo)致的直接機(jī)械損傷，另一方面還與植入后引發(fā)的炎性反應(yīng)、細(xì)胞凋亡等機(jī)制有關(guān)[4,5]。近年來，經(jīng)人工耳蝸電極載藥用于減輕植入后耳蝸損傷和蝸內(nèi)組織改變的研究越來越受到重視。該方法優(yōu)于全身給藥，可避開血迷路屏障直接進(jìn)入內(nèi)耳耳蝸內(nèi)，且能克服圓窗膜給藥時(shí)蝸內(nèi)分布不均的缺點(diǎn)，同時(shí)避免全身用藥的不良反應(yīng)。本文對經(jīng)人工耳蝸電極載藥治療的研究進(jìn)展綜述如下。

1 經(jīng)人工耳蝸電極表面涂層載藥

1.1 電極涂層種類及性能

1.1.1 電極表面涂層的種類

目前人工耳蝸電極涂層種類較多，如2-甲基丙烯磷酰膽堿（MPC）聚合物涂層[6]、左旋聚乳酸（PLLA）涂層及多聚4-羥基丁酸酯（P（4HB））涂層[7]、精氨酸甘氨酸天冬氨酸（RGD）修飾的海藻酸鈉水凝膠和導(dǎo)電聚合物聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）復(fù)合物涂層[8]、膠原蛋白涂層[9]、羥乙基纖維素、乙醇、甘油混合物凝膠涂層[10]等。

1.1.2電極表面涂層的載荷性能

電極表面涂層具有良好的載荷性能。載荷性能是電極涂層最基本也是最重要的性能，對電極植入改善神經(jīng)傳導(dǎo)、提高耳蝸性能具有重要意義。涂層內(nèi)部可包埋營養(yǎng)因子及生長因子[8,11]（如腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）、胰島素樣生長因子1（IGF-1）及肝細(xì)胞生長因子（HGF））等。

1.1.3 表面涂層電極插入力度特點(diǎn)

Radeloff等[10]在鼓階模型中插入涂層電極，當(dāng)插入深度超過15毫米時(shí)，實(shí)驗(yàn)組（涂層電極）的插入力較對照組（無涂層電極）顯著減小，且涂層材料的分布可達(dá)到耳蝸頂部；為進(jìn)一步驗(yàn)證涂層電極載體插入的可行性，將其植入在人類顳骨中，結(jié)果表明，電極涂層同樣可降低導(dǎo)致手術(shù)創(chuàng)傷的插入力；且涂層有助于將藥物遞送至毛細(xì)胞駐留的耳蝸頂端，這對有殘余聽力的患者而言，涂層分布均勻廣泛，可能會(huì)使其獲得更好的聽覺感受。Kinoshita等[6]在豚鼠耳蝸中植入涂覆有2-甲基丙烯磷酰膽堿（MPC）聚合物涂層的電極陣列，并與無聚合物涂層的電極陣列組相比較，結(jié)果表明，當(dāng)使用聚合物涂層電極時(shí)，電極插入明顯容易，可減輕術(shù)后蝸內(nèi)組織損傷，外毛細(xì)胞和螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的存活亦優(yōu)于對照組。葉青等[12]認(rèn)為，電極植入同時(shí)可能造成內(nèi)耳結(jié)構(gòu)與功能的損害，保護(hù)和利用殘余聽力的人工耳蝸植入手術(shù)可擴(kuò)大人工耳蝸植入對象的范圍?？梢姡姌O表面涂層在降低插入阻力，減少植入損傷，對保護(hù)殘余聽力也具有非常重要的意義。

1.1.4 電極表面涂層的其他特性

精氨酸甘氨酸天冬氨酸（RGD）修飾的海藻酸鈉水凝膠和導(dǎo)電聚合物聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）復(fù)合物涂層具有良好的生物安全性，且可減小電極阻抗，提高輸送電荷的能力，改善人工耳蝸的性能[8]。左旋聚乳酸（PLLA）涂層及多聚4-羥基丁酸酯（P（4HB））涂層均具有良好的可降解特性，且P（4HB）比PLLA具有更好的降解曲線及粘合性、穩(wěn)定性，且二者均對成纖維細(xì)胞活力無影響[7]。

1.2 電極表面涂層載藥的應(yīng)用

依據(jù)表面涂層包含的物質(zhì)不同，筆者對電極表面涂層進(jìn)行歸類，分別論述其研究進(jìn)展。

1.2.1 神經(jīng)營養(yǎng)因子

神經(jīng)營養(yǎng)因子可能對增強(qiáng)耳蝸植入的生物電傳遞和螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（SGCs）的存活狀態(tài)有重要作用，進(jìn)而改善患者的聽覺感受。Agterberg等[13]研究表明，BDNF治療可使SGCs存活狀態(tài)得到增強(qiáng)，并防止未經(jīng)處理的對側(cè)耳蝸的SGC存活狀態(tài)減弱。神經(jīng)營養(yǎng)介入治療擁有持久的療效。目前研究的包埋在涂層中的營養(yǎng)因子主要是腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）。

Chikar等[8]的研究表明精氨酸甘氨酸天冬氨酸（RGD）修飾的海藻酸鈉水凝膠和導(dǎo)電聚合物聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）復(fù)合物涂層能裝載并釋放顯著水平的營養(yǎng)因子（BDNF）進(jìn)入耳蝸；生物活性BDNF在植入后1周內(nèi)即可有較大幅度的釋放，但持續(xù)時(shí)間較短，僅2周，且電荷輸送能力過強(qiáng)可能會(huì)影響長期的電刺激敏感性，導(dǎo)致刺激信號(hào)保真度及峰值性能降低。Volkenstein等[9]將包埋神經(jīng)營養(yǎng)因子的膠原蛋白作為電極涂層，SGCs可存活在膠原蛋白涂層表面，且軸突向著膠原纖維沉積的方向生長。大多數(shù)神經(jīng)突觸向著膠原所在方向?qū)蛐云叫猩L，從而使得神經(jīng)電接觸距離更近，這可能會(huì)使人工耳蝸具有更好的頻率識(shí)別，并最終改善患者的言語感知。本實(shí)驗(yàn)是小鼠耳蝸離體實(shí)驗(yàn)，無法進(jìn)行聽力測試，因而有待在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證膠原蛋白涂層作為CI涂層引導(dǎo)突觸生長和提高聽力方面的效果。

1.2.2 涂層包埋生長因子：

Kikkawa等[11]用125I標(biāo)記的胰島素樣生長因子1（IGF-1），將其及肝細(xì)胞生長因子（HGF）結(jié)合于凝膠內(nèi)，包覆于電極表面，植入豚鼠耳蝸，結(jié)果表明水凝膠涂層電極吸附較多的IGF-1并持續(xù)釋放達(dá)48小時(shí)，IGF-1和HGF具有保護(hù)聽力作用，水凝膠涂層生長因子釋放電極可以減輕插入創(chuàng)傷并促進(jìn)損傷修復(fù)，本研究中認(rèn)為電極植入后外毛細(xì)胞脫失，但我們課題組的研究無此發(fā)現(xiàn)，且文中結(jié)果顯示電極包覆生長因子后纖維組織增多，則給藥涂層可能會(huì)導(dǎo)致電極阻抗增加，進(jìn)而影響生物電的傳導(dǎo)，因而，有待進(jìn)一步深化研究明確該涂層給藥策略的利弊。

2 電極內(nèi)部給藥

2.1 基質(zhì)給藥

2.1.1 電極硅膠基質(zhì)及其載荷特性

電極是由電極觸點(diǎn)、電極絲及硅膠基質(zhì)組成。電極硅膠基質(zhì)同樣具有良好的載荷性能。為將藥物遞送到內(nèi)耳，越來越多的研究在硅膠基質(zhì)中包埋藥物[14,15]，隨電極植入耳蝸內(nèi)實(shí)現(xiàn)定向給藥，對電極植入術(shù)后的創(chuàng)傷修復(fù)及術(shù)后效果有重要意義。電極硅膠基質(zhì)目前更多的是作為藥物研究的載體，如糖皮質(zhì)激素（地塞米松）等，目前筆者未見硅膠基質(zhì)內(nèi)包埋活性細(xì)胞、神經(jīng)營養(yǎng)因子、生長因子等的研究報(bào)道。

2.1.2 硅膠載藥電極插入力度特點(diǎn)

電極的插入力可能會(huì)在電極插入期間增加創(chuàng)傷的風(fēng)險(xiǎn)，因此，Nguyen等[15]在鼓階模型中對硅膠電極陣列插入力度進(jìn)行了研究。當(dāng)插入10到24毫米時(shí)，電極直徑0.5毫米的遠(yuǎn)端陣列（有/無地塞米松）比不含藥物的直徑0.4毫米的遠(yuǎn)端陣列表現(xiàn)出更高的插入力度。電極直徑0.4毫米的遠(yuǎn)端陣列在植入過程中，硅膠載藥組與無載藥組的摩擦力相近。文章認(rèn)為，在硅膠中混入地塞米松用于人工耳蝸植入，這種設(shè)計(jì)并沒有改變電極陣列插入力度，也沒有在插入期間增加引發(fā)創(chuàng)傷的風(fēng)險(xiǎn)，因而長期適用于耳蝸植入。因此，表面涂層電極在降低植入力方面優(yōu)于硅膠基質(zhì)載藥電極，更有利于減輕植入創(chuàng)傷。

2.1.3 硅膠基質(zhì)給藥的其他特性

硅膠基質(zhì)摻入藥物可以獲得長達(dá)數(shù)周甚至數(shù)月的藥物緩釋曲線[14,16,17]，但同時(shí)也給電極帶來其他方面的影響。硅膠基質(zhì)中載藥多以晶體形式存在，較粗糙[18]，可能會(huì)導(dǎo)致植入電極過程中加大植入創(chuàng)傷，同時(shí)隨著藥物不斷溶解進(jìn)入釋放體系，硅膠基質(zhì)逐漸出現(xiàn)大小不等的小孔[19]，這破壞了電極表面的完整性，可能會(huì)在一定程度損害電極的性能。

2.2 電極硅膠基質(zhì)載藥的應(yīng)用

目前硅膠載藥的研究主要集中在糖皮質(zhì)激素（地塞米松）。筆者對硅膠基質(zhì)釋放地塞米松的研究進(jìn)展綜述如下。

2.2.1 地塞米松的細(xì)胞毒性及蝸內(nèi)安全性

藥物應(yīng)用于內(nèi)耳，首先必須具有細(xì)胞無毒，Bohl等[20]體外生物相容性研究證實(shí)，地塞米松對于離體培養(yǎng)的螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞無細(xì)胞毒性。Stathopoulos等[19]在正常成年豚鼠耳蝸內(nèi)植入了地塞米松釋藥（實(shí)驗(yàn)組）或非釋藥（對照組）電極陣列，文章認(rèn)為，在豚鼠耳蝸所用的地塞米松具有安全性，地塞米松沒有抑制內(nèi)耳開窗術(shù)密封的形成。但地塞米松對螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的生物毒性是否存在劑量相關(guān)性有待進(jìn)一步研究。

2.2.2 硅膠基質(zhì)中地塞米松的藥物緩釋行為

Ghavi等[17]在醫(yī)用級硅膠中摻入地塞米松（0.25-2.0%），采用高效液相色譜法進(jìn)行分析，結(jié)果表明載藥量百分比和接觸表面積是影響硅膠基質(zhì)藥物釋放的最主要的因素，釋藥曲線長達(dá)600余天。Liu,Y等[14,21]在硅膠基質(zhì)中載負(fù)地塞米松（2.0%,10%），探討其在體內(nèi)和體外釋放地塞米松的藥代動(dòng)力學(xué)，體內(nèi)和體外試驗(yàn)均表明，電極能夠持續(xù)釋放地塞米松，載藥量較多的電極在穩(wěn)定期的藥物濃度比載藥量較少的電極略高，時(shí)間也較長；在緩釋藥物一段時(shí)間后，外淋巴液中地塞米松的濃度與含有2和10%的地塞米松的硅膠棒持平。在體外釋藥試驗(yàn)中，藥物釋放的時(shí)間持續(xù)了20周，在體內(nèi)持續(xù)1周。豚鼠實(shí)驗(yàn)的藥代動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)一步表明[16]，術(shù)后30分鐘后，地塞米松在外淋巴液中的濃度達(dá)峰，釋藥時(shí)間至少持續(xù)1周持續(xù)至少1周；Krenzlin等[22]用計(jì)算機(jī)模擬對人工耳蝸載藥電極做了藥物釋放的預(yù)測性研究，依據(jù)菲克第二擴(kuò)散定律，使包埋有不同量的地塞米松的有機(jī)硅膜的藥代動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在計(jì)算機(jī)模擬中快速得到證實(shí)。雖然以上體外緩釋藥物實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)或者計(jì)算機(jī)體外模擬，與人體內(nèi)的藥物代謝動(dòng)力學(xué)可能有一定差異，但由于硅膠基質(zhì)載藥系統(tǒng)緩釋特性明顯，在內(nèi)耳緩釋藥物大多能達(dá)到長時(shí)間的治療的要求。

2.2.3 硅膠載藥電極植入對組織學(xué)及聽力水平的影響

耳蝸內(nèi)植入電極可引起炎癥反應(yīng)，從而損傷聽力。近年的電極涂層載藥研究認(rèn)為，糖皮質(zhì)激素可能與抗纖維化、減低術(shù)后阻抗及保護(hù)聽力有關(guān)。

劉婭等[21]的研究表明，硅膠基質(zhì)釋放的地塞米松能抑制TNF-α特異的炎性細(xì)胞，在地塞米松組，TNF-α染色陽性細(xì)胞的數(shù)量較對照組減少，植入術(shù)后的炎癥反應(yīng)較輕，從而促進(jìn)術(shù)后聽力的恢復(fù)。Paasche等[23]對4組成人患者進(jìn)行了長達(dá)4年的觀察研究，結(jié)果表明，糖皮質(zhì)激素的應(yīng)用在耳蝸基底及中間區(qū)域能明顯降低阻抗，這說明術(shù)后纖維組織的生長在耳蝸的基部區(qū)域更明顯，該研究認(rèn)為阻抗的降低與纖維組織生長減少，從而增強(qiáng)了刺激效應(yīng)有關(guān)。張略[24]等對36例兒童人工耳蝸植入者給予糖皮質(zhì)激素治療，同樣表明糖皮質(zhì)激素可降低術(shù)后電極阻抗，認(rèn)為糖皮質(zhì)激素可降低耳蝸植入后電極周圍纖維化組織形成，但缺少病理學(xué)證據(jù)，無法進(jìn)一步明確纖維化與阻抗之間是否存在相關(guān)性。Farhadi等[25]通過對成年雄性豚鼠設(shè)計(jì)對照試驗(yàn)，在試驗(yàn)組豚鼠耳蝸內(nèi)植入載有地塞米松的狀似CI電極的硅膠，分析內(nèi)耳標(biāo)本炎性細(xì)胞浸潤結(jié)果并比較組間炎癥反應(yīng)情況，結(jié)果表明地塞米松硅膠載藥電極組的炎癥指標(biāo)（纖維細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、淋巴細(xì)胞以及毛細(xì)血管形成）較低，電極植入術(shù)后的炎癥反應(yīng)也較弱。Liu,Y等[16]的研究表明，地塞米松電極組術(shù)后1周至12周即顯著恢復(fù)了聽覺功能，術(shù)后聽力水平明顯好于對照組（4-24kHz尤為明顯），病理學(xué)結(jié)果可見鼓階內(nèi)新生纖維組織包裹電極，TNF-α染色陽性細(xì)胞在地塞米松組表達(dá)低于對照組。Stathopoulos等[19]在正常成年豚鼠耳蝸內(nèi)植入了地塞米松釋藥（實(shí)驗(yàn)組）或非釋藥（對照組）電極陣列，文章認(rèn)為耳蝸陣列釋放的地塞米松的聽力保護(hù)水平可能取決于釋藥水平及創(chuàng)傷程度。Douchement等[26]在沙鼠耳蝸內(nèi)植入含有地塞米松的緩釋硅膠電極，結(jié)果顯示頻率為500，1000，4000，16000 Hz的短期（4-6周）聽力得到改善。長期（1年）聽力結(jié)果證實(shí)了較高頻率的聽力同樣得到改善，但對于500和1000赫茲等較低頻率需要進(jìn)一步研究驗(yàn)證。因而硅膠電極可長時(shí)間釋放地塞米松，但對短期殘余聽力保護(hù)效果更明顯。

2.2.4 蝸內(nèi)緩釋地塞米松的機(jī)制研究

對于極重度聽力損失的治療，耳蝸植入是不可或缺的手段。我們課題組前期的研究[4]表明，耳蝸植入術(shù)后基因表達(dá)將發(fā)生改變：耳蝸炎性基因（Cxcl-1，IL-1A，TNF-α，Tnfrsf1a/b）和離子平衡的基因（Scnn1γ，Aqp3和Gjb3）可觀察到有顯著增加；組織重塑基因上調(diào)（TGF-A，MMP2，MMP9）以及旁分泌基因（CTGF）也都觀察到表達(dá)上調(diào)。MM9的表達(dá)極端上調(diào)，我們認(rèn)為與聽力閾值的變化有定性關(guān)聯(lián)。Takumi等[27]在豚鼠耳蝸中植入載有地塞米松的緩釋電極，并與傳統(tǒng)電極和非手術(shù)對照組進(jìn)行對比，采用羅氏公司的基因芯片對植入術(shù)7天后的基因表達(dá)進(jìn)行研究，結(jié)果顯示在正常電極組中，40個(gè)基因被上調(diào)了2倍以上甚至更多。大部分的基因上調(diào)與免疫應(yīng)答和炎癥反應(yīng)有關(guān)。比起正常電極組，在地塞米松緩釋電極組中，40個(gè)基因中有7個(gè)進(jìn)一步上調(diào)，而其中有12個(gè)則下調(diào)，并且有一種返回到非手術(shù)狀態(tài)的趨勢。比起正常電極組，地塞米松緩釋電極組的9個(gè)基因被下調(diào)2倍，9個(gè)基因中的4個(gè)顯示出返回非手術(shù)狀態(tài)的趨勢。且這些基因確實(shí)參與了耳蝸的生理功能的維持。地塞米松緩釋電極對耳蝸達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的正常狀態(tài)有療效。本實(shí)驗(yàn)采用的是羅氏公司的基因芯片，但是關(guān)于統(tǒng)計(jì)方法未清楚說明，僅交代空白與對照組間的比較采用t檢驗(yàn)，未交代實(shí)驗(yàn)組的統(tǒng)計(jì)方法。

Dinh等[28,29]對大鼠Corti器在三種不同條件下體外培養(yǎng)，進(jìn)行TGF-α誘導(dǎo)聽覺毛細(xì)胞損失和地塞米松抗TNF-α耳毒性的分子機(jī)制的研究，結(jié)果表明地塞米松可減少TNF-α誘導(dǎo)的外植體的毛細(xì)胞損失。TNF-α的耳毒性作用可能是通過上調(diào)Bax和TNFR1的表達(dá)以及增加Bax/Bcl-2比值來調(diào)節(jié)。地塞米松通過上調(diào)Bcl-2和Bcl-xL的表達(dá)，以及抑制TNF-α誘導(dǎo)的Bax、TNFR1增加及Bax/Bcl-2比值的增加來對抗TNF-α在Corti器耳毒性的作用。這些結(jié)果為局部使用地塞米松治療創(chuàng)傷后的聽力損失提供治療依據(jù)。

3 電極外部涂層與內(nèi)部基質(zhì)荷載相結(jié)合

Wrzeszcz等[18,30]將地塞米松摻入電極細(xì)絲（聚二甲基硅膠[PDMS]），表面披覆星形聚乙二醇預(yù)聚物（SPEG）水凝膠涂層，水凝膠涂層可以使硅膠載藥電極粗糙的表面變得光滑，且其釋藥曲線長達(dá)3個(gè)月；在進(jìn)一步的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中經(jīng)掃描顯微鏡觀察證實(shí)，地塞米松、SPEG及二者聯(lián)合可減少電極周圍結(jié)締組織形成。另外，表面涂覆SPEG涂層的玻璃纖維雖未能減少在人類鼓階模型中的插入力，其插入力仍與傳統(tǒng)CI電極相當(dāng)。

Bohl等[20]將硅膠基質(zhì)中摻入地塞米松和電極載體表面涂覆包埋地塞米松的聚合物涂層相結(jié)合，研究認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)初始階段為涂層釋藥，涂層具有較高的穩(wěn)定性，體外藥物釋放研究呈現(xiàn)一個(gè)較快的地塞米松釋放曲線；實(shí)驗(yàn)硅膠基質(zhì)釋放地塞米松階段，釋藥曲線呈現(xiàn)一個(gè)較低的持續(xù)釋放的狀態(tài)，由此達(dá)到長時(shí)間降低術(shù)后纖維化的目的。筆者認(rèn)為，本研究雖然是體外試驗(yàn)結(jié)果，由于其具備了外部涂層給藥的“較快”釋放以及基質(zhì)給藥的“緩釋”性能，分別對應(yīng)于植入耳蝸術(shù)后的急性創(chuàng)傷修復(fù)及長期抗纖維化過程，具有較高的臨床意義。

綜上所述，人工耳蝸電極表面涂層載藥主要選用營養(yǎng)因子及生長因子，提高SGC的存活率，減小神經(jīng)電接觸距離、改善神經(jīng)傳導(dǎo)，提高耳蝸性能，同時(shí)可降低植入力，減少植入創(chuàng)傷，降低蝸內(nèi)炎癥。硅膠基質(zhì)給藥主要包埋糖皮質(zhì)激素（如地塞米松），減輕術(shù)后炎癥反應(yīng)、保護(hù)殘余聽力，減輕纖維化，降低阻抗，提高短期及長期的聽力水平，獲得更理想的聽聲效果。當(dāng)然，這方面的研究還處于早期階段，還不成熟，神經(jīng)營養(yǎng)因子、生長因子、糖皮質(zhì)激素等藥物對耳蝸及螺旋神經(jīng)節(jié)的作用還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。筆者以為，若能深化這方面的研究，并將人工耳蝸電極表面涂層和硅膠基質(zhì)兩個(gè)遞送系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用，取長補(bǔ)短，對提高人工耳蝸植入術(shù)后療效或?qū)⒏旭砸妗?/p>