藥物支架材料在治療感染性骨缺損中的研究進展*

馮建波,程飄濤,李陳誠,宮首航 綜述,彭笳宸△ 審校

(1.貴州省遵義市正安縣人民醫(yī)院關節(jié)外科，遵義 563400;2.遵義醫(yī)科大學附屬醫(yī)院關節(jié)外科/遵義醫(yī)科大學-羅切斯特大學聯(lián)合骨科研究中心，遵義 563000)

感染性骨缺損是指同時存在骨的缺損和感染，其治療難度大、病程周期長、花費高，治療效果不理想，是臨床上非常棘手的慢性難治性疾病之一。該病主要繼發(fā)于開放性骨折，以及醫(yī)源性感染導致骨感染后長期骨不愈合，在治療過程中，靜脈給藥常無法達到滿意治療效果，特別是感染嚴重時形成死腔的骨缺損中，骨組織局部血運破壞，靜脈給藥病灶局部無法達到有效血藥濃度，清創(chuàng)術不能將定植在骨髓腔隙以及骨表面的細菌生物膜完全清除干凈，感染無法根治，常反復發(fā)作、遷延難愈，嚴重影響患者生活質量，部分病例可導致患肢功能障礙甚至截肢[1]，給患者及家庭帶來災難性的損失。在骨感染細菌中最常見的為金黃色葡萄球菌，其中50%骨關節(jié)感染是由難治性耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)菌株引起的，MRSA形成生物膜的形式定植在骨髓腔及骨表面，通過促進破骨細胞的活化來導致骨質缺損破壞[2]。MRSA感染是一個重大的醫(yī)療難題，萬古霉素仍然是治療此類感染的一線抗生素，但由于抗生素的不規(guī)范使用，萬古霉素對MRSA的敏感性逐漸降低乃至出現(xiàn)耐藥，因此，由MRSA感染引起的感染性骨缺損在臨床治療變得更加困難。帶抗生素的骨水泥的應用，較傳統(tǒng)單純清創(chuàng)治療感染性骨缺損表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，但因其不可降解性常需行二次手術取出骨水泥，增加了患者的痛苦和經濟負擔，導致臨床患者依從性較差[3]。一種新型的可吸收、抗菌能力強且可誘導骨成骨的可吸收生物材料對于感染性骨缺損的治療變得尤為重要[4]。

1 感染性骨缺損的治療難點

感染性骨缺損目前的治療方法以清創(chuàng)、移除體內植入物和全身抗生素治療等方法為主，但其治療的關鍵難點是合并感染，使得骨反復感染至骨壞死等無法愈合，MRSA目前對大多數(shù)的抗菌藥物表現(xiàn)出耐藥性，要解決感染性骨缺損治療的根本源頭，需要對感染進行控制。除了使用抗菌藥物以外，特異性抗體在抗菌效果方面比常規(guī)藥物表現(xiàn)出獨到的療效，抗體治療在臨床治療中也越來越普遍，并取得了較好的效果。但是，由于MRSA分型繁多，對不同型別MRSA進行疫苗的研制開發(fā)比較困難。而且MRSA形成生物膜結構，保護細菌不受抗生素和宿主免疫系統(tǒng)的影響，這是其感染宿主的重要環(huán)節(jié)之一[2]。因此通過針對MRSA生物膜抗體并結合藥物來治療MRSA感染是重要辦法之一[5]。在MRSA生物膜中，黏附素、莢膜多糖、細胞壁、毒素等物質是MRSA細菌生物膜的抗原，可利用MRSA細菌生物膜中的多種抗原制作多效價抗體與單價抗體相比，多價抗體具有提高抗體招募效率和天然免疫殺滅效率的優(yōu)勢，并且多價抗體之間相互作用可以降低結合親和力轉化為更高的結合親和力[6]。但是既往研究中發(fā)現(xiàn)，單獨使用多效價抗體對MRSA只能起到較好的抑制作用，不能完全清除其感染，同時，由于其全身給藥的局限性，因此，利用多效價抗體結合藥物并在感染局部使用，可在抵抗細菌生物膜形成的同時進一步殺滅細菌[7]。因此，結合帶抗菌作用的生物型支架應用于局部清除MRSA感染是治療感染性骨缺損的關鍵。

2 抗生素在感染性骨缺損中的應用

抗生素作為最早也是最重要的抗菌藥物之一，在過去的20世紀中被廣泛認為是最成功的治療感染的藥物之一。雖然抗生素的定義并不是一成不變的，但它可以被廣泛地定義為一種微生物產生的抑制另一種微生物的物質。首先使用的抗生素之一是青霉素，這是由亞歷山大·弗萊明發(fā)現(xiàn)的，他通過葡萄球菌細菌培養(yǎng)時偶然遇到真菌產生的青霉素[8]。從那時起，抗生素領域研究爆發(fā)，提供了廣泛的不同抗生素，適用于不同種類的微生物，具有不同的作用機制。研究人員可以利用抗生素的這些特性，為局部靶向感染創(chuàng)造新的平臺。自20世紀70年代以來，這一總體理念就已實施，研究人員將抗生素加入聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基骨水泥中，作為關節(jié)置換術的預防措施[9]。這個想法允許一種簡單的局部釋放方法，對周圍的微環(huán)境是安全的，它可以裝載多種類型的抗生素，以獲得有效的結果。這一想法后來由KLEMM[10]擴展，其將慶大霉素裝入PMMA珠子中，并納入清創(chuàng)后的骨缺損中。該技術應用于128例重度慢性骨髓炎患者，其中91%的患者完全治愈。這項研究表明，這種生物材料不僅可以作為一種預防手段，而且可以作為現(xiàn)有疾病的一種治療方法。

萬古霉素+利奈唑+β-內酰胺類藥物。研究表明，萬古霉素與多種β-內酰胺之間具有協(xié)同作用，萬古霉素和β-內酰胺協(xié)同作用的機制是通過加入β-內酰胺而使細胞壁變薄，從而增加萬古霉素在細胞壁合成過程中與靶點的結合[11]。EREN等[12]回顧性評價了使用萬古霉素、β-內酰胺聯(lián)合治療與接受萬古霉素單藥治療的效果，結果顯示，萬古霉素與β-內酰胺聯(lián)合治療組微生物根除率明顯高于萬古霉素單藥組。利奈唑是MRSA的敏感抗生素，當耐藥抗生素與敏感抗生素聯(lián)合使用時，也表現(xiàn)出明顯的協(xié)同作用。最新研究采用攜帶20%利奈唑生物支架置入MRSA感染大鼠脛骨內后發(fā)現(xiàn)其抑菌效果明顯優(yōu)腹腔注射用藥組[13]。

3 目前常用抗菌載體材料研究應用現(xiàn)狀

3.1 骨水泥

骨水泥是由一種PMMA基材料組成，這種材料在種植體和骨之間的空間內聚合，將其固定在適當?shù)奈恢肹14]。它是一種有用的抗菌藥物載體，其作用通常很容易實現(xiàn)，因為抗菌劑是在混合前與粉末成分混合而成的。骨水泥是第一批在骨科應用的抗菌藥物治療工具。在20世紀70、80年代，PMMA骨水泥通常與抗生素混合，用于局部治療感染[9-10]。隨著技術的進步，這些設計擴展到包括由磷酸鈣等材料組成的水泥，這種材料被稱為羥基磷灰石，使之成為一種生物相容性更強的替代品[15]。雖然這些骨水泥顯示出了作為抗菌植入物的前景，但它們不具備降解的能力，而去除骨水泥需要額外的手術。因此，通過降解提供抗生素釋放的替代品成為一種有吸引力的替代方案。

3.2 膠原海綿

膠原海綿具有生物降解性好、毒性低、抗拉強度高、天然豐度高等優(yōu)點，在生物材料應用中具有廣闊的應用前景。膠原蛋白可以用含0.1%～5%w/v干物質的凍干膠原溶液制成海綿?？紫抖瓤梢酝ㄟ^改變干物質的數(shù)量或凍結速率來調節(jié)[16]，調節(jié)方便。目前膠原海綿已經商業(yè)化，易于獲得，價格便宜，使這個平臺成為一個有吸引力的抗菌藥物的選擇。在涉及骨科感染的應用中，膠原海綿往往與氨基糖苷類物質成對，如慶大霉素[17]。類似骨水泥，膠原海綿也可以受益于在支架內引入更多的運載工具，以提供更強的抗菌治療效果。然而，與骨水泥相比，其機械強度差可能限制了它的應用。此外，使用動物源性膠原可能會產生組織刺激和患者的抗原反應。

3.3 納米粒子

近年來，納米技術領域的流行程度有了很大的提高，因為更先進的儀器使更多的研究人員能夠更容易地操作、分析和功能化納米尺度的系統(tǒng)。納米粒子具有獨特的傳輸特性，可用于精確定位。就生物膜而言，研究表明，顆粒的小尺寸和大比表面積不僅是防止和減輕生物膜形成的有效工具，而且納米顆粒的幾何形狀對其效果也有一定的影響[18]，納米粒子也可以通過包裹或捆綁抗菌劑或通過它們自己的組合物來對抗細菌。

3.4 水凝膠

水凝膠是水膨脹的聚合物網絡，具有可調節(jié)的性質，包括溶脹、孔徑、分子質量和硬度[19]。大多數(shù)合成水凝膠的模塊化性質也允許在其基質中修飾分子，這些分子可以指導周圍細胞的功能，如細胞黏附、增殖和分化?？咕幬锟梢酝ㄟ^物理包埋進入水凝膠[20-21]。水凝膠載體是治療性給藥系統(tǒng)的一個組成部分，僅溶菌素的局部傳遞就顯示出明顯地減少感染的作用。水凝膠注入無機金屬也顯示出顯著的抗菌性能[22-23]。與膠原海綿類似，水凝膠由于機械強度低而受到限制，使其無法用于承重應用。由于水凝膠的大孔徑和水膨脹性質，小的疏水藥物可能需要載體，如脂質體或納米粒，以便用于長期釋放應用。

3.5 表面涂層

表面涂層生物材料提供了一種獨特的方法，用于破壞細菌與生物材料表面的黏附，并且是一種經過充分研究和吸引人的方法，可以通過物理吸附、引入聚合物基體、絡合或共軛等方法利用抗菌分子的局部化[24]?？咕幬?，如抗生素，可以作為表面涂層在生物材料上使用，其好處是與感染部位直接相互作用。與其他可以裝載抗生素的支架相反，表面涂層受益于更高的效能，因為降解的控制，以及抗生素釋放的接近性被限制在載體材料表面上使用[25]。

4 載體的要求及臨床意義

一種材料應該具有生物相容性，并與活細胞組織相互作用且不引起不良的生理反應。生物相容性包括處理生物材料在人體中作用的各個方面[26]。這是一個從不同角度的篩選標準。此外，人們希望一種骨支架材料能夠被生物降解，這意味著隨著時間的推移，它可以分解成無毒的產品，能夠被代謝并從體內清除[27]。同時，新的組織生長并逐漸填補缺陷，最重要的關鍵是需擁有骨傳導性、骨誘導能力和骨整合能力。并且對骨組織修復，骨支架的剛度不應很低以能提供機械穩(wěn)定性，也不應太高而造成骨應力屏蔽。載體支架的關鍵點是支架的制作方法，骨缺損的外部形狀需要復制，簡單適宜的加工有助于方便地定制不同外部形狀的缺損，并實現(xiàn)內部配置的多樣性[28]。傳統(tǒng)的方法，例如涉及成型技術，需要重新設計和建立每一個不同的幾何形狀的新模具。3D打印技術可以有效地解決這一重要問題，降低成本。利用3D打印可以控制支架的孔隙度和內部結構。

5 新型可吸收生物載體材料

新型的可吸收、抗菌能力強且可誘導成骨的生物材料是治療骨髓炎的關鍵工具，其具有可生物降解性，免除了患者二次手術的痛苦和經濟負擔，親和力強，能夠攜帶足夠的藥物緩釋來起到根除細菌并抑制細菌生物膜形成的作用，其孔隙還有誘導成骨修復骨缺損的作用。對于滿足以上要求的目前比較有優(yōu)勢選擇材料為多層復合可生物降解的聚乙丙交脂/聚乙丙酯(PLGA/PCL)電紡支架材料，其是一種在納米生物支架上包被生物蛋白、Ⅰ型膠原、抗菌藥物等物質組成的多功能有機和無機復合體，其在抗菌及誘導骨化方面有顯著效果[29]。其制作過程簡單易得，因其大的表面積比、高效的包被率、高孔隙率和優(yōu)異的力學性能在實驗研究中常用作藥物支架載體，其具有刺激細胞生長和增殖、加速愈合、提供可控釋藥物等獨特的優(yōu)點，因而通過增加表面涂層物質可制造出具有誘導骨細胞再生及抗菌作用的生物支架，是感染性骨缺損的新型理想填充物。有研究表明，三涂層銀改良后膠原包覆PLGA/PCL電紡支架(PP-PDA-Ag-COL)在小鼠牙周炎模型中表現(xiàn)出了抗菌和成骨誘導的作用，其通過在包被抗菌活性銀離子的基礎上增加包被Ⅰ型膠原來增強誘導骨組織再生的能力[30]，在緩釋藥物、保持長期持續(xù)有效的局部藥物濃度方面，與傳統(tǒng)靜脈給藥抗生素劑量使用相比減少了37倍，有效防止了抗生素耐藥性的產生，同時避免了抗生素靜脈使用的全身副作用[13]，其可生物降解性也避免了二次手術，減輕了患者的痛苦和經濟負擔。

隨著3D打印技術在醫(yī)學領域的廣泛應用及技術質量的不斷提高，其在多個外科領域得到應用，如骨科、頜面外科、顱外科、脊柱外科等。3D打印部件的優(yōu)點在于減少手術時間、改善醫(yī)療效果和減少輻射照射。利用3D打印技術可制作和改造PLGA/PCL電紡支架材料形狀[31]，根據(jù)不同的骨缺損類型制作相應形狀的模型材料，使材料更貼合實際應用，再通過包被抗菌、抑菌生物材料和強誘導成骨因子涂層來達到治療骨髓炎的目的。在涂層材料中，銀納米粒子(AgNPs)可以通過物理、化學和生物途徑等多種技術合成，其中銀離子(Ag+)是一種有效的抗菌物質，它能干擾硫醇(-SH)基團，激發(fā)活性氧(ROS)的產生，從而起到抗菌作用[32]，銀離子還可引起細菌細胞壁變薄和滲透，肽聚糖層不穩(wěn)定，細胞內含量隨之泄漏，導致細菌細胞溶解死亡。由于其優(yōu)良的抗菌性能，被廣泛應用于化妝品、保健品、抗菌紡織品、傷口敷料、抗腫瘤藥物載體等納米材料的生產中?？股啬退幮员皇澜缧l(wèi)生組織認為是對公共衛(wèi)生的重大全球性威脅，非抗生素化合物，如抗菌生物殺菌劑和金屬，有助于通過共同選擇促進抗生素抗藥性，減少耐藥性的發(fā)生，抑制細菌生物膜的形成[33]。在一項使用AgNPs共軛PCL-b-AMPs共聚物作為納米復合材料的研究中，發(fā)現(xiàn)納米復合材料對革蘭陽性菌和革蘭陰性菌均有較強的抗菌作用，包括臨床分離菌金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌，并且金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌在用納米復合材料處理后，即使在第21代后也沒有顯示出耐藥性[34]。

6 總結與展望

盡管組織工程師和骨科醫(yī)生對治療進行了大量而新穎的研究改善，但對于組織工程師和骨科醫(yī)生來說，骨缺損的發(fā)病率越來越高，仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。目前主要通過裁剪支架形狀，改善支架的生物降解能力，改善結構生物模擬以納入足夠的血管，以及擴大支架生產量以治療潛在大量患者的大規(guī)模缺陷。隨著支架制造越來越多地尋求具有更高生物活性的復合材料，為了在將來最大限度地促進成骨和軟骨形成，除了增加構造血管化外，還必須實現(xiàn)細胞所受的自然機械和生化刺激的更緊密的復制。這在一定程度上可以通過生物材料、腳手架制造技術和計算建模技術的進步來實現(xiàn)，但還需要更有效的方法來簡化細胞分離、培養(yǎng)和植入構造的過程。這是一個勞動和時間密集的過程，盡管生物反應器技術的進步可能提高效率。然而，最快的成功途徑可能是利用天然骨組織提供的天然生物反應器，這種生物反應器具有非凡的再生能力。三維生物制造和生物清洗技術提供了越來越精確的結構、微結構和空間內容的控制。結合各種可利用的生物活性材料、生長因子、功能化技術和仿生支架設計，創(chuàng)造適合未來特定患者應用的復雜支架的潛力是巨大的。這也為治療各種具有挑戰(zhàn)性的疾病提供了希望，包括骨質疏松癥和嚴重的骨缺損。隨著可擴展性和制造方法的不斷發(fā)展，人們希望今后能夠以越來越高的成本效益、效率和可重現(xiàn)性的方式，為患者量身定做治療。