關(guān)節(jié)腔內(nèi)藥物遞送系統(tǒng)研究進(jìn)展

朱開(kāi)元 徐翰南 王云 元晨銳 楊云龍 林俊卿 鄭憲友

關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射是治療骨科疾病的常用方法。在關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射過(guò)程中，軟骨結(jié)構(gòu)以及毛細(xì)血管和淋巴管的清除與靜電作用均可阻礙藥物滲透進(jìn)入關(guān)節(jié)腔內(nèi)軟骨組織。由于缺乏能有效突破這些阻礙的藥物遞送系統(tǒng)，藥物療效難以滿足臨床需求[1]。為更好地發(fā)揮關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射藥物的作用，關(guān)節(jié)腔藥物遞送相關(guān)研究越來(lái)越受到重視。目前，常用的關(guān)節(jié)腔內(nèi)藥物遞送系統(tǒng)包括微米級(jí)顆粒、水凝膠、納米級(jí)顆粒、脂質(zhì)體等類型的載體以及混合型載體，它們可幫助藥物滲透進(jìn)入軟骨并延長(zhǎng)藥物的駐留周期。

1 影響藥物作用于軟骨的機(jī)制

1.1 關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)

關(guān)節(jié)軟骨是一種無(wú)血管、神經(jīng)和淋巴的組織，其基膜由高密度的膠原纖維網(wǎng)、蛋白聚糖和其他細(xì)胞外大分子構(gòu)成。基膜中膠原纖維網(wǎng)含量最高，構(gòu)成關(guān)節(jié)軟骨干重的50%～60%；蛋白聚糖的主要成分為黏多糖，構(gòu)成關(guān)節(jié)軟骨干重的30%～35%；而細(xì)胞外大分子主要由軟骨細(xì)胞合成。膠原纖維網(wǎng)由大量Ⅱ型膠原蛋白和少量Ⅸ型、Ⅺ型膠原蛋白構(gòu)成，其孔徑大小為60～200 nm[2]。膠原纖維在表淺層(約軟骨厚度的10%～20%)平行于表面排列，在中層(約軟骨厚度的40%～60%)排列方向無(wú)固定規(guī)律，在深層(約軟骨厚度的30%～40%)垂直于軟骨下骨排列。膠原蛋白網(wǎng)絡(luò)遍布相對(duì)分子質(zhì)量較大的蛋白聚糖復(fù)合物，這些復(fù)合物由透明質(zhì)酸和近百個(gè)蛋白聚糖單體通過(guò)非共價(jià)相互作用連接形成。在蛋白聚糖單體內(nèi)，帶有負(fù)電荷的硫酸軟骨素黏多糖鏈和硫酸角質(zhì)素黏多糖鏈連接在核心蛋白上，黏多糖鏈之間間隔2～4 nm[3]。在膠原纖維網(wǎng)中，呈瓶刷狀結(jié)構(gòu)的蛋白聚糖單體排列十分緊密，導(dǎo)致相鄰蛋白聚糖單體上黏多糖鏈的距離與連接在核心蛋白上的黏多糖鏈的距離基本一致[4]。因此，基膜上各種成分排列緊密，形成較強(qiáng)的空間位阻，阻礙藥物分子向軟骨內(nèi)滲透。此外，蛋白聚糖也增加了軟骨厚度，導(dǎo)致可用于滲透藥物的孔徑大幅縮小，限制了藥物及其載體的滲透能力?？紤]到藥物靶向軟骨細(xì)胞多位于組織中層和深層，因此對(duì)于要滲透到組織深層的藥物，軟骨的生物學(xué)結(jié)構(gòu)成為藥物滲透的巨大屏障[5-6]。

1.2 藥物進(jìn)出關(guān)節(jié)軟骨的模式

藥物在關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)的滲透速度取決于藥物從滑膜液進(jìn)入軟骨的凈流量和藥物從淋巴管、滑膜下毛細(xì)血管流出的凈流量。藥物治療時(shí)，只有足夠大的進(jìn)入凈流量才能保證關(guān)節(jié)內(nèi)藥物在被清除前達(dá)到足夠治療濃度[7]，而藥物清除速度會(huì)受到滑膜清除和系統(tǒng)循環(huán)的影響[8]。Formica等[9]建立滑膜腔藥物清除的物理模型來(lái)闡明藥物治療中關(guān)節(jié)各處藥物濃度的變化。模型假定滑膜液中各處藥物濃度均相同，將藥物注射進(jìn)關(guān)節(jié)的時(shí)間記為T0，此時(shí)滑膜液中藥物及其遞送載體的濃度CSF達(dá)到峰值，記為C2；隨著藥物及其遞送載體的滲透和清除，CSF持續(xù)下降，而軟骨內(nèi)藥物及其遞送載體的濃度CC持續(xù)上升，表現(xiàn)為藥物從滑膜液向軟骨內(nèi)的凈內(nèi)流，直至CSF與CC相等，此時(shí)間記為T2。CC在T0至T2時(shí)段內(nèi)持續(xù)上升，將達(dá)到治療濃度C1的時(shí)間記為T1，藥物在T1后開(kāi)始真正發(fā)揮作用。在T2后，CSF繼續(xù)下降，此時(shí)CSF小于CC，表現(xiàn)為藥物從軟骨向滑膜液的凈外流，于是CC也開(kāi)始下降，直至CC小于C1，該時(shí)間記為T3。因此，藥物在T3后不發(fā)揮作用。綜上，有效治療時(shí)間(Teff)為T1至T3時(shí)段[10]。常規(guī)藥物通過(guò)滑膜液注射給藥，有限的給藥量限制了CSF的初始大?。煌瑫r(shí)由于滑膜液中藥物會(huì)經(jīng)淋巴管和毛細(xì)血管快速清除，使CSF迅速下降，而由于軟骨對(duì)藥物滲透的阻礙，使CC上升緩慢，從而導(dǎo)致有效治療時(shí)間短，治療效果差[11]。由此可見(jiàn)，進(jìn)出軟骨的物理模式阻礙了藥物滲透，使常規(guī)藥物難以發(fā)揮作用。見(jiàn)圖1。

圖1 藥物進(jìn)入軟骨的物理模式示意圖

1.3 關(guān)節(jié)軟骨所帶電荷的影響

關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)有高密度的帶負(fù)電荷的黏多糖，因此靜電相互作用也可影響藥物及遞送載體的運(yùn)輸、吸收和結(jié)合。靜電作用對(duì)藥物滲入的影響主要表現(xiàn)在運(yùn)輸速度和滲入深度兩方面。

1.3.1 靜電作用對(duì)運(yùn)輸速度的影響

帶電溶質(zhì)在軟骨組織內(nèi)的分布由唐南平衡決定[12]。在平衡狀態(tài)下，所有自由移動(dòng)的帶電溶質(zhì)都會(huì)根據(jù)軟骨組織平均電勢(shì)與周圍滑膜液平均電勢(shì)之差分布到帶電組織中。而軟骨內(nèi)部黏多糖的固定的高負(fù)電荷密度導(dǎo)致電勢(shì)下降，在組織界面處產(chǎn)生強(qiáng)向內(nèi)的電場(chǎng)，可增強(qiáng)帶正電物質(zhì)向軟骨內(nèi)運(yùn)輸，并阻礙帶負(fù)電溶質(zhì)的滲透。

關(guān)節(jié)內(nèi)注射帶負(fù)電或電中性的藥物，則會(huì)由于受到靜電排斥作用或無(wú)靜電吸引作用，明顯降低藥物進(jìn)入軟骨的速度，從而影響藥物滲入。但若在關(guān)節(jié)內(nèi)注射帶正電藥物，靜電相互作用會(huì)導(dǎo)致滑膜液-軟骨界面(稱“Donnan分區(qū)”)的陽(yáng)離子遞送載體濃度急劇增加，形成陡峭的藥物濃度梯度，從而加速藥物運(yùn)輸并確保陽(yáng)離子遞送載體在離開(kāi)滑膜液前被軟骨高攝取。這極大加速了帶正電藥物和/或藥物載體進(jìn)入帶負(fù)電軟骨的運(yùn)輸，使藥物和/或藥物載體進(jìn)入軟骨的速率快于軟骨清除速率。因此，靜電作用可以增強(qiáng)陽(yáng)離子藥物的運(yùn)輸速度，但對(duì)陰離子藥物有阻礙作用。

1.3.2 靜電作用對(duì)滲入深度的影響

靜電結(jié)合力弱且可逆，陽(yáng)離子載體解鍵后可繼續(xù)在軟骨中擴(kuò)散。目前關(guān)節(jié)內(nèi)藥物遞送的研究多數(shù)為使用強(qiáng)結(jié)合機(jī)制(如共價(jià)鍵)[13]，以增加軟骨內(nèi)藥物遞送載體的停留時(shí)間。但是，由于其結(jié)合緊密，這些遞送載體會(huì)被困于表層，使擴(kuò)散效率降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，影響其將藥物遞送至中層和深層。

綜上，關(guān)節(jié)軟骨的結(jié)構(gòu)和藥物進(jìn)出模式會(huì)影響藥物在軟骨中滲透的速率，而軟骨所帶電荷會(huì)同時(shí)影響藥物運(yùn)輸速度和滲透深度。這些因素相互作用，阻礙了藥物有效滲透至軟骨內(nèi)相關(guān)靶點(diǎn)，導(dǎo)致常規(guī)藥物治療效果不理想。

2 關(guān)節(jié)腔藥物遞送系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)有效的軟骨內(nèi)給藥，關(guān)節(jié)腔藥物遞送系統(tǒng)成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)。藥物遞送載體通常被設(shè)計(jì)成合適大小，或經(jīng)化學(xué)修飾后攜帶陽(yáng)離子，以克服以上所述的一種或多種阻礙。主要關(guān)節(jié)腔藥物遞送系統(tǒng)包括微米級(jí)顆粒、水凝膠、納米級(jí)顆粒、脂質(zhì)體等類型載體和混合型遞送載體。

2.1 微米級(jí)顆粒載體

微米級(jí)顆粒載體是一種既不滲透入軟骨也不與軟骨結(jié)合的藥物遞送系統(tǒng)，其可懸浮于滑膜液中，持續(xù)地將藥物釋放到關(guān)節(jié)腔內(nèi)。微米級(jí)顆粒具有的合適大小使其可最大程度避免被血管或淋巴管清除，致半衰期較長(zhǎng)。目前開(kāi)發(fā)的大部分持續(xù)釋放藥物的載藥系統(tǒng)均為利用微米級(jí)顆粒的遞送載體，如裝載依托考昔(環(huán)氧化酶-2抑制劑)的聚己內(nèi)酯[14]、裝載塞來(lái)昔布(環(huán)氧化酶-2抑制劑)的聚酯酰胺[15]、裝載大黃酸(抗炎藥)的聚乳酸-羥基乙酸共聚物[16]，這些藥物在關(guān)節(jié)內(nèi)可停留4～10周。但微米級(jí)顆粒載體也有不足。雖然遞送載體克服了被血管或淋巴管清除的阻礙，但其釋放的大部分藥物在到達(dá)軟骨前被清除，故藥物多停留于滑膜液，較少進(jìn)入軟骨。這導(dǎo)致軟骨內(nèi)有效藥物濃度低于注射時(shí)的藥物濃度，在軟骨內(nèi)達(dá)到治療濃度的時(shí)間也較長(zhǎng)。微米級(jí)顆粒藥物遞送載體具有持續(xù)性強(qiáng)、滲透性弱的特點(diǎn)，更適用于抗炎止痛類藥物的遞送。

2.2 水凝膠載體

水凝膠是保水性極強(qiáng)的高分子三維網(wǎng)狀聚合物，在水中呈膠狀，與滑膜液性質(zhì)相似[17]。該類載體可與軟骨表面結(jié)合，起到表面潤(rùn)滑和緩沖作用[18]。這種表面結(jié)合性使水凝膠不易被血管或淋巴管清除，同時(shí)比微米級(jí)顆粒更靠近軟骨。因此，使用該類載體時(shí)軟骨內(nèi)藥物達(dá)到治療濃度的時(shí)間小于使用微米級(jí)顆粒載體。傳統(tǒng)的水凝膠載體為透明質(zhì)酸[19]，但由于載體自身易被酶降解，其持續(xù)性僅略高于游離藥物[20]，只能用于軟骨表面潤(rùn)滑。有學(xué)者將聚N-異丙基丙烯酰胺與透明質(zhì)酸結(jié)合，組成一種熱敏性水凝膠，在體溫下即可形成納米級(jí)凝膠顆粒，而不易被酶降解，從而延長(zhǎng)藥物作用時(shí)間[21]。還有學(xué)者研制出一種酶反應(yīng)性水凝膠TG-18，其可在水中自行聚合成水凝膠狀態(tài)，包裹藥物。當(dāng)關(guān)節(jié)炎處于活動(dòng)期時(shí)，關(guān)節(jié)內(nèi)以基質(zhì)金屬蛋白酶為代表的多種酶水平上升，導(dǎo)致水凝膠外層解聚，藥物釋放。當(dāng)活動(dòng)期結(jié)束，酶水平下降，載體會(huì)再次聚合[22-23]。因此，水凝膠載體具有結(jié)合性強(qiáng)、滲透性弱的特點(diǎn)，能夠根據(jù)環(huán)境變化做出反應(yīng)。該類載體適用于抗炎止痛類或潤(rùn)滑類藥物的遞送。

2.3 納米級(jí)顆粒載體

與以上兩種非滲透性材料不同，納米級(jí)顆粒是一種帶正電小顆粒，能夠穿過(guò)軟骨表面，向深部組織滲透，從而在軟骨內(nèi)部持續(xù)釋放藥物[24]。納米級(jí)顆粒較小的尺寸和帶正電特性克服了軟骨結(jié)構(gòu)和靜電作用的阻礙，使其滲透速度加快以避免被血管或淋巴管清除，同時(shí)能夠滲透到軟骨全層。由于克服了三重阻礙，使用該類載體時(shí)軟骨內(nèi)藥物達(dá)到治療濃度的時(shí)間短于以上2類載體。親和素是典型的納米級(jí)顆粒載體，可用于軟骨內(nèi)給藥[2, 24]。有研究顯示，與地塞米松結(jié)合時(shí)，親和素可快速滲透到軟骨全層并在組織內(nèi)釋放藥物，與游離藥物相比，可顯著抑制白細(xì)胞介素-1介導(dǎo)的糖胺多糖損失達(dá)3周以上[25]。近期研究發(fā)現(xiàn)，聚乙二醇化的樹(shù)枝狀聚酰胺-胺作為胰島素樣生長(zhǎng)因子(IGF)1的載體具有與親和素類似的理化性質(zhì)，其可使軟骨內(nèi)藥物濃度在30 d內(nèi)維持于治療水平；骨關(guān)節(jié)炎(OA)小鼠模型研究也發(fā)現(xiàn)，IGF1-載體可顯著抑制軟骨退化和容積性骨贅生物負(fù)荷達(dá)4周[26]。納米級(jí)顆粒載體具有滲透性強(qiáng)、結(jié)合性弱的特點(diǎn)，是目前最適合進(jìn)行軟骨內(nèi)給藥的遞送載體。這類遞送載體對(duì)于可能改善OA病情藥物的軟骨內(nèi)給藥帶來(lái)希望，對(duì)于那些缺乏組織靶向給藥方法而引起全身不良反應(yīng)，最終導(dǎo)致臨床試驗(yàn)失敗的OA治療藥物，該類載體可能提供新的給藥方式。

2.4 脂質(zhì)體載體

脂質(zhì)體是脂質(zhì)雙分子層構(gòu)成的顆粒，可裝載各種類型的藥物(脂溶性藥物裝載于兩層之間；水溶性藥物裝載于內(nèi)層內(nèi)部)，并緩慢持續(xù)釋放。該類載體與動(dòng)物細(xì)胞的成分和結(jié)構(gòu)相似，因此生物相容性極高，不易引起炎癥反應(yīng)[27]。在不同實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，裝載VX-745[28]、硫酸軟骨素[29]或塞來(lái)昔布[30]的脂質(zhì)體都可以延長(zhǎng)藥物半衰期。脂質(zhì)體的大小、導(dǎo)電性、通透性等理化性質(zhì)均具可塑性，且可通過(guò)在表面結(jié)合相應(yīng)配體達(dá)到靶向治療的目的[31]。盡管具有上述諸多優(yōu)勢(shì)，脂質(zhì)體仍然存在穩(wěn)定性弱、抗壓能力弱、價(jià)格高等不足[20]。隨著研究進(jìn)一步深入，多聚物或多聚物-脂質(zhì)體混合囊泡展現(xiàn)出比傳統(tǒng)脂質(zhì)體更強(qiáng)的可塑性和靈活性，有望作為新型的藥物遞送載體[27]。

2.5 混合型遞送載體

目前，大部分有關(guān)藥物遞送系統(tǒng)的研究均為使用單一類型載體。然而，這種設(shè)計(jì)常只能滿足部分給藥需求，如微米級(jí)顆粒載體雖能提供最長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間，卻由于滲透性差而無(wú)法用于改善OA病情藥物的遞送；納米級(jí)顆粒雖然是最適合軟骨內(nèi)給藥的遞送載體，卻由于直徑過(guò)小易被血管和淋巴管清除。將多種遞送載體組合使用，或?qū)λ幬镞M(jìn)行化學(xué)修飾后與載體結(jié)合或能更好地適應(yīng)給藥需求。有學(xué)者將2- ([1,1-聯(lián)苯] -4-基氨基甲酰)苯甲酸制成納米晶體后與微米級(jí)顆粒結(jié)合，構(gòu)成納米晶體-微米顆粒結(jié)構(gòu)，可顯著延長(zhǎng)遞送藥物的作用時(shí)間，增加藥物載量并減少不良反應(yīng)發(fā)生。進(jìn)一步的動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種載體可促進(jìn)OA小鼠的軟骨再生[32]。裝載依托考昔的聚己內(nèi)酯微米顆粒與甲殼胺(熱敏性水凝膠)聯(lián)用，構(gòu)成微米顆粒-水凝膠結(jié)構(gòu)，可將藥物持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)到6周[33]。酶反應(yīng)性水凝膠TG-18聯(lián)合多聚顆?；蚰芴岣哧P(guān)節(jié)內(nèi)給藥的有效時(shí)長(zhǎng)和可控度?；旌闲瓦f送載體在未來(lái)載藥系統(tǒng)的研究中具有巨大潛力。

3 結(jié)語(yǔ)

在關(guān)節(jié)腔內(nèi)給藥過(guò)程中，軟骨的組織結(jié)構(gòu)，淋巴管和毛細(xì)血管對(duì)藥物的快速清除，以及軟骨間的靜電作用阻礙了藥物滲透進(jìn)入軟骨。針對(duì)性設(shè)計(jì)的藥物-正電載體偶聯(lián)和藥物的陽(yáng)離子肽結(jié)構(gòu)域修飾遞送系統(tǒng)可使藥物在關(guān)節(jié)腔內(nèi)駐留時(shí)間大幅延長(zhǎng)。此外，利用不同類型藥物遞送材料的特性將多種遞送載體組合使用或?qū)λ幬镞M(jìn)行化學(xué)修飾后與遞送載體結(jié)合的方法已顯示出巨大潛力，它們?cè)谒幬镏委烵A領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊前景。