殼聚糖及其衍生物在組織修復(fù)重建中的應(yīng)用

張加強(qiáng) 侯春林*

甲殼質(zhì)是目前地球上產(chǎn)量?jī)H次于纖維素的第二大天然資源，具有廣闊的應(yīng)用前景。殼聚糖是甲殼質(zhì)脫乙酰基后的衍生物，殼聚糖及其衍生物憑借良好的組織相容性、多樣的生物活性、無(wú)細(xì)胞毒性、生物降解性及低致敏性被稱作多能型生物材料，其出眾的物化性質(zhì)，如高比表面，多孔性，抗張力強(qiáng)度及導(dǎo)電性[1]，使其醫(yī)學(xué)用途廣泛，并制備成不同的產(chǎn)品和劑型（如薄膜，纖維，海綿，粉劑，粉末，凝膠，溶液等），已廣泛用于臨床。而臨床上對(duì)于較大創(chuàng)面、軟骨、神經(jīng)等組織的修復(fù)重建仍面臨較多困難，通過(guò)皮瓣移植、自體神經(jīng)移植等現(xiàn)有自體組織修復(fù)方法又會(huì)給病人帶來(lái)二次傷害，極需研究新型生物活性材料進(jìn)行替代治療。現(xiàn)將近年來(lái)殼聚糖及其衍生物在組織修復(fù)重建方面的研究綜述如下。

1 創(chuàng)面修復(fù)

殼聚糖及其衍生物具有可生物降解性，良好的組織相容性，抗菌活性和低免疫原性，使其具有開(kāi)發(fā)為創(chuàng)面修復(fù)生物材料的優(yōu)勢(shì)。目前，已臨床應(yīng)用的殼聚糖類創(chuàng)面修復(fù)產(chǎn)品有速愈貼、術(shù)寧愈膚貼、欣夫?qū)?速愈貼等。張琳等[2]利用SIKVAV多肽修飾的殼聚糖水凝膠治療小鼠創(chuàng)面，發(fā)現(xiàn)其能加速創(chuàng)面表皮細(xì)胞再生，促進(jìn)肌成纖維細(xì)胞沉積，促進(jìn)血管形成和角化細(xì)胞增殖分化，同時(shí)抑制皮膚炎癥。Thomas等[3]通過(guò)靜電紡絲法將殼聚糖與乙烯醇1∶1比例合成復(fù)合納米纖維膜，并裝載抗生素，用于伴有感染的創(chuàng)面修復(fù)。劉婷等[4]用石墨烯基（GO）與1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳化二亞胺（EDC）修飾的殼聚糖-膠原蛋白復(fù)合膜（CC-G-E膜）裝載堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（bFGF），不僅生物相容性，熱穩(wěn)定性及機(jī)械性能好，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)bFGF的控制釋放，能加速小鼠全層皮膚損傷的創(chuàng)面修復(fù)，是一種新型藥物釋放及創(chuàng)面修復(fù)材料。Mansur等[5]將甲基丙烯酸酯化高分子殼聚糖與明膠-A光交聯(lián)，構(gòu)建矩陣網(wǎng)絡(luò)性能水凝膠支架，其溶脹度高，隨著網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)的增加支架分子退化減少，顯微CT成像及掃描電子顯微鏡顯示其具有均勻連接的三維多孔結(jié)構(gòu)，且生物相容性良好，適用于傷口敷料和皮膚組織修復(fù)。Corinna等[6]利用殼聚糖-N-乙酰半胱氨酸修復(fù)家兔眼角膜直徑6mm的創(chuàng)面72小時(shí)，用高分辨率光學(xué)相干斷層掃描及上皮熒光素染色檢測(cè)提示殼聚糖-N-乙酰半胱氨酸組家兔角膜修復(fù)速度明顯快于安慰劑組。

2 骨、軟骨修復(fù)

近年來(lái)，殼聚糖及其衍生物應(yīng)用于骨、軟骨修復(fù)的研究越來(lái)越廣泛，殼聚糖因其良好的細(xì)胞親和力及生物學(xué)性能，已作為3D打印支架材料。由創(chuàng)傷、感染或先天性疾病等原因造成的大量骨缺損尤其是軟骨退變?nèi)睋p是修復(fù)重建外科面臨的大難題，而現(xiàn)有治療方法的局限性，現(xiàn)有材料存在得生物降解性、生物相容性及機(jī)械強(qiáng)度等問(wèn)題，都迫切要求加快對(duì)殼聚糖類生物材料的研究。

殼聚糖已由國(guó)家批準(zhǔn)作為組織工程支架材料，Moreira等[7]在溫敏性殼聚糖基礎(chǔ)上，利用膠原及生物活性玻璃納米微粒進(jìn)行化學(xué)修飾，得到一種新型活性凝膠，這一復(fù)合凝膠的膠凝溫度為37℃，與正常體溫相近，該凝膠具有孔隙大，力學(xué)性能好，硬度高，且無(wú)細(xì)胞毒性等優(yōu)勢(shì)，有望成為修復(fù)骨組織的新型生物材料。Karbasi等[8]發(fā)現(xiàn)聚羥基丁酸殼聚糖/絲素靜電紡絲納米復(fù)合支架，不但纖維直徑細(xì)，總孔隙度高，而且耐拉力更強(qiáng)，延長(zhǎng)度高。楊樂(lè)等[9]發(fā)現(xiàn)磷酸三鈣--殼聚糖與畢格犬間充質(zhì)干細(xì)胞具有較好的組織相容性，既不會(huì)改變細(xì)胞的生長(zhǎng)增殖情況，又具有可注射性，利用磷酸三鈣--殼聚糖支架作為畢格犬間充質(zhì)干細(xì)胞的載體，能有效地促進(jìn)四肢骨形成及血管再生，來(lái)修復(fù)骨缺損。軟骨組織退變?nèi)睋p一直是困擾臨床醫(yī)生的難題，殼聚糖作為一種糖胺聚糖，已列為關(guān)節(jié)軟骨的保護(hù)劑，用于防治退變性骨關(guān)節(jié)炎，產(chǎn)品奇特杰于2013年已用于臨床。Kamoun等[10]將N-琥珀酰殼聚糖與水溶性的二醛基淀粉混合，通過(guò)希夫堿反應(yīng)制得 N-琥珀酰殼聚糖淀粉混合凝膠，是一種新型可注射、可生物降解的生物材料，具有凝膠時(shí)間短，吸水率低，分子量減輕少，結(jié)構(gòu)緊密等優(yōu)勢(shì)，適合于組織工程及軟骨修復(fù)。Maria等[11]利用富血小板血漿/穩(wěn)定多孔殼聚糖支架培養(yǎng)人原代軟骨細(xì)胞14天，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞數(shù)量顯著增加，并表達(dá)高水平的II型膠原蛋白，而未檢測(cè)到I型膠原蛋白，該支架成功誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞定居分化，有望成為修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨的新途徑。

3 神經(jīng)修復(fù)

周?chē)窠?jīng)損傷因其高發(fā)病率及高致殘率，已成為創(chuàng)傷及修復(fù)重建外科研究的重點(diǎn)之一。殼聚糖及其衍生物因其良好的生物相容性及特殊的生物活性，早在1993年，茍三懷、侯春林等[12]已經(jīng)報(bào)道有關(guān)“幾丁質(zhì)橋接周?chē)窠?jīng)缺損”的研究。顧曉松等[13]將殼聚糖作為支架材料，成功研制組織工程化神經(jīng)，修復(fù)犬坐骨神經(jīng)60 mm缺損。其還設(shè)計(jì)了一種新型組織工程化神經(jīng)（TENGs），由殼聚糖/絲素蛋白為神經(jīng)支架，復(fù)合骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，用于橋接大鼠10 mm長(zhǎng)的坐骨神經(jīng)缺損，組織學(xué)和功能評(píng)估表明神經(jīng)再生結(jié)果優(yōu)于殼聚糖/絲素蛋白支架，效果接近于自體神經(jīng)移植[14]。殼寡糖是殼聚糖的中間降解產(chǎn)物，顧曉松利用殼寡糖填充的硅膠管橋接損傷的坐骨神經(jīng)后，出現(xiàn)一過(guò)性促炎性細(xì)胞因子和巨噬細(xì)胞增多，研究發(fā)現(xiàn)殼寡糖能促進(jìn)施萬(wàn)細(xì)胞內(nèi) CCL2表達(dá)，從而誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞遷移至創(chuàng)傷處，重建損傷神經(jīng)微環(huán)境，促進(jìn)神經(jīng)再生。殼寡糖促進(jìn)大鼠周?chē)窠?jīng)再生，而且刺激施萬(wàn)細(xì)胞增生，顧曉松通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)錄組和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析，發(fā)現(xiàn)miR-27a/FOXO1軸是調(diào)控殼寡糖刺激施萬(wàn)細(xì)胞增生的主要信號(hào)通路，殼寡糖能提高miR-27a的表達(dá)水平，導(dǎo)致 FOXO1減少，隨之加速細(xì)胞周期，促進(jìn)施萬(wàn)細(xì)胞增生[15,16]。楊宇民等[17]發(fā)現(xiàn)裝載神經(jīng)生長(zhǎng)因子的肝素/殼聚糖支架能提高施萬(wàn)細(xì)胞的依附性，促進(jìn)施萬(wàn)細(xì)胞增生，還能促進(jìn)施萬(wàn)細(xì)胞的形態(tài)演變。Shapira等[18]利用殼聚糖空心管用于嚙齒動(dòng)物切斷坐骨神經(jīng)后的神經(jīng)重建，療效與自體神經(jīng)移植相接近。Tanaka等[19]發(fā)現(xiàn)殼聚糖納米纖維管移植能部分恢復(fù)畢格犬損傷膈神經(jīng)的功能，改善膈肌運(yùn)動(dòng)，降低膈神經(jīng)傳導(dǎo)速度，修復(fù)損傷神經(jīng)，殼聚糖納米纖維管內(nèi)新生神經(jīng)纖維被肉芽組織包繞。脊髓組織缺失與空洞形成阻礙了脊髓損傷的修復(fù)，殼聚糖+ECM+SB216763支架能促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞向神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞分化，因此有希望用于脊髓損傷修復(fù)[20]。

4 藥物釋放系統(tǒng)

殼聚糖及其衍生物在制藥工業(yè)中已被廣泛用作藥物控制系統(tǒng)，包括微球，納米顆粒，凝膠等形式。朱守安等[21]通過(guò)小鼠動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明，小G蛋白R(shí)ac1活性升高顯著促進(jìn)軟骨基質(zhì)降解，促進(jìn)基質(zhì)降解酶MMP13、ADAMTS-5的分泌以及軟骨肥大鈣化標(biāo)志COLX和Runx2的表達(dá)，而Racl小分子抑制劑NSC23766很難保持藥物有效濃度，殼聚糖因其簡(jiǎn)單易得和藥物釋放控制性成為一種有效載體，殼聚糖微球包裹Racl小分子抑制劑NSC23766，可以顯著降低軟骨細(xì)胞中Racl活性，同時(shí)抑制軟骨基質(zhì)的降解，對(duì)OA的嚴(yán)重程度進(jìn)行OARSI評(píng)分，發(fā)現(xiàn)殼聚糖微球包裹NSC23766緩釋組具有更低的OARSI評(píng)分，更少的ADAMTS-5和COLX表達(dá)。Rencber等[22]將殼聚糖包被的氟康唑構(gòu)造成可口腔粘附的納米顆粒，用于治療口腔念珠菌病，通過(guò)對(duì)照發(fā)現(xiàn)殼聚糖包被的納米顆粒直徑更大，分散指數(shù)更高，電動(dòng)勢(shì)能更大，減少了藥物用量，降低藥物的細(xì)胞毒性及副反應(yīng)，而且不影響藥物分散的均勻性，消除了藥物的相互作用。對(duì)家兔感染口腔念珠菌后，殼聚糖包被組治愈率更高，效果更好。李保強(qiáng)等[23]通過(guò)選擇性單級(jí)酰化反應(yīng)，賦予殼聚糖水溶性、紫外交聯(lián)性及可注射性，這種 N-甲基丙烯酰殼聚糖在中性溶液中的溶解度提高了2.21倍，取代度也明顯升高，解決了殼聚糖不能在正常人體內(nèi)溶解的問(wèn)題，利用 N-甲基丙烯酰殼聚糖可以快速、有效、低成本的構(gòu)建裝載細(xì)胞的微膠粒，不但能用作組織工程材料，其高細(xì)胞存活率可以用于快速經(jīng)皮注射，在局部持續(xù)釋放蛋白，組織學(xué)分析顯示其低劑量的紫外輻射不會(huì)損傷皮膚，7天后急性炎癥反應(yīng)消失，有望成為新型藥物釋放系統(tǒng)。

5 其他應(yīng)用

殼聚糖及其衍生物應(yīng)用于組織修復(fù)重建，還具有其他獨(dú)特生物活性，如防粘連，抗菌活性，抗腫瘤活性等。N,O-羧甲基殼聚糖-醛透明質(zhì)酸（NOCC-AHA）凝膠，具有無(wú)細(xì)胞毒性，生物降解性，生物相容性等優(yōu)勢(shì)，與透明質(zhì)酸凝膠相比，血液及腹腔灌洗液中tPA水平更高，具有更明顯的防粘連作用[24]。殼聚糖-蜂膠納米顆粒生物利用度高，穿透能力強(qiáng)，抗菌療效好，用于治療糞腸球菌生物膜形成，不僅能降低細(xì)菌數(shù)量，而且能破壞細(xì)菌生物膜結(jié)構(gòu)，改變糞腸球菌基因表達(dá)，適用于慢性創(chuàng)面及手術(shù)部位感染的細(xì)菌生物膜形成[25]。殼聚糖-魚(yú)精蛋白納米顆粒藥物滯留好，緩釋作用強(qiáng)，顆粒直徑小，分散系數(shù)低，包封率高，而且能完成5-Fu的有效核輸送。利用殼聚糖-魚(yú)精蛋白搭載5-Fu，作用于A549細(xì)胞和 Hela細(xì)胞具有較高細(xì)胞毒性，并能誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，抑制腫瘤生長(zhǎng)[26]。

6 總結(jié)和展望

殼聚糖及其衍生物憑借多樣的生物活性，良好的組織相容性，豐富的自然儲(chǔ)量，在生物醫(yī)學(xué)及制藥工業(yè)中發(fā)揮著重要作用，其在創(chuàng)面修復(fù)、抗菌止血、防治骨關(guān)節(jié)炎、防粘連等方面的產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用。然而，殼聚糖在神經(jīng)修復(fù)及組織工程支架方面的有效性研究，大部分實(shí)驗(yàn)是在體外或動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，殼聚糖及其衍生物在人體內(nèi)修復(fù)神經(jīng)組織的有效性還需要進(jìn)一步研究，所以下一步研究方向是殼聚糖衍生物在人體內(nèi)的安全有效性及療效穩(wěn)定性，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用，解決神經(jīng)缺損的難題。相信隨著研究的深入，殼聚糖及其衍生物將會(huì)有更多用途。