生物材料治療慢性肢體缺血的研究進展

匡英杰，張 玥，楊純旭，程志新

慢性肢體缺血（chronic limb-threatening ischemia，CLTI） 是外周動脈疾病 （peripheral artery disease，PAD）的終末期，由于動脈嚴(yán)重堵塞導(dǎo)致血流無法到達肢體末端所致，可能引起患者劇烈疼痛、生存質(zhì)量下降，甚至截肢或死亡[1，2]。 目前治療上首選使用手術(shù)方式重建肢體血液運行，同時配合藥物治療。 研究表明，傳統(tǒng)血液運行重建手術(shù)有嚴(yán)格的納入標(biāo)準(zhǔn)和適應(yīng)證，高達30%的CLTI 患者無法行手術(shù)治療，且術(shù)后患者截肢率高[3，4]。藥物治療可以在一定程度上改善遠端肢體灌注，但其療效在已開展的臨床試驗中并未得出一致的結(jié)論[5～7]。 因此，有必要開發(fā)新的治療手段作為當(dāng)前主流治療方案的替代或補充。

治療性血管新生（therapeutic angiogenesis，TA）是指將促血管生成物通過多種方式轉(zhuǎn)入缺血組織中，改善局部血液供應(yīng)[8]。 目前，許多研究已經(jīng)將TA 作為研究思路，并嘗試將生長因子、干細胞和其他生物活性分子輸送到缺血組織中[9]。然而，在維持分子或細胞活性、精準(zhǔn)遞送到靶器官、實現(xiàn)藥物可控釋放等方面，仍有許多難點需要解決[10]。生物材料的應(yīng)用為解決這些難點提供了很好的方案。

1 生物材料

生物材料是指與生物系統(tǒng)交互以評估、 治療、增強或替代身體的任何組織、器官或功能的材料[11]。 其來源廣泛，種類多樣。 常用的生物材料按照來源可以分為合成和天然生物材料，包括海藻酸鹽、殼聚糖、葡聚糖、巖藻多糖等多糖，聚乙二醇、乳酸-乙醇酸共聚物、 人工基底膜等聚合物， 多來源的細胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）、血凝塊等細胞支架[12～14]。包含聚合物成分的生物材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計上非常靈活，由ECM 組成的生物材料可以增強細胞活性[15]。因此，在CLTI 的治療中， 生物材料可以作為載體運載活性物質(zhì)輔助實現(xiàn)治療目的， 也可以表現(xiàn)出直接治療作用[16]。

2 生物材料作為藥物載體

由于輸注到缺血部位的生長因子、細胞、核酸或外泌體會在短暫時間內(nèi)被清除，不能持續(xù)作用，而全身給藥可能會導(dǎo)致藥物在肺、肝等不需要的臟器中積累[17，18]。 將生物材料作為藥物載體可以將藥物在合適的時間中運載到特定的部位。 其功能主要有緩釋功能、靶向功能、響應(yīng)功能等。

2.1 具有緩釋功能的藥物載體

生物材料與藥物結(jié)合起緩釋功能，可以維持一定時間內(nèi)缺血部位的血藥濃度，保障其生物活性，從而誘導(dǎo)血管新生，改善局部缺血情況[17]。 此類藥物載體的效果已經(jīng)在動物實驗中得到證實，其中與生長因子相關(guān)的研究開展較多。Zhang ZD 等[19]將載有血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的葡聚糖微粒包裹到聚乳酸-羥基乙酸微球中，在大鼠缺血后肢模型中誘導(dǎo)血管新生，觀察到實驗組動物模型的血管密度顯著高于對照組， 并可保證在28 d 內(nèi)的藥物濃度。 Li C 等[20]制備了一種載有VEGF 的熱敏透明質(zhì)酸水凝膠， 可以顯著延長VEGF 的釋放時間，增強大鼠模型中缺血肌肉的局部血流，提高大鼠的跑步能力。 Park MJ 等[21]制備了一種載有重組人VEGF的冷凍凝膠微粒，可以通過靜電作用使得VEGF 持續(xù)釋放30 d， 將該微粒注射到后肢缺血小鼠模型中，觀察到新血管的形成和組織壞死的減少。

除與生長因子相結(jié)合外，載有核酸、干細胞、外泌體等活性物質(zhì)的緩釋功能生物材料也陸續(xù)在開發(fā)，并在臨床前試驗中展現(xiàn)出了良好的性能?；蛑委熛噍^于直接應(yīng)用生長因子，具有成本低廉、半衰期更長的優(yōu)勢[22]。 Gui L 等[23]設(shè)計了一種基于納米顆粒的質(zhì)粒遞送系統(tǒng)， 能將質(zhì)粒的體內(nèi)濃度維持時間延長3 倍，并可在小鼠模型中改善缺血后肢的高氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，促進血管生成和肌肉修復(fù)。 干細胞被認為可以在缺血部位的修復(fù)中發(fā)揮重要作用。 Hong Y 等[24]制備了一種基于聚谷氨酸的多孔水凝膠，可以在后肢缺血小鼠機體內(nèi)提高脂肪來源干細胞的存活率，保全了小鼠缺血后肢，在21 d 內(nèi)幾乎沒有發(fā)生壞死，且操作便利。外泌體可以促進血管、神經(jīng)和骨再生，減少傷口愈合時間，但它在體內(nèi)的清除速率較快[25]。 Wang C等[26]制備了一種水凝膠，能持續(xù)釋放外泌體長達15 d，從而對缺血肢體產(chǎn)生長效作用。

2.2 具有靶向功能的藥物載體

具有靶向功能的藥物載體可以通過響應(yīng)磁力引導(dǎo)、尋找細胞靶標(biāo)等方式，運載藥物到達指定部位，從而減少毒副作用、提高治療效果[27]。 Kang HJ 等[28]將含有氧化鐵的納米顆粒導(dǎo)入內(nèi)皮祖細胞（endothelial progenitor cells，EPC）內(nèi)，注射EPC 至缺血小鼠模型中，在外部通過磁鐵引導(dǎo)，增強了EPC 在模型中的遷移，改善了缺血肢體的血液灌注。 Daya R 等[29]合成了以姜黃素為血管生成劑的磁性納米顆粒，可以通過磁性引導(dǎo)促進血管生成。 除磁力引導(dǎo)外，通過在生物材料中添加靶向配體或黏附配體，可以與受體結(jié)合使藥物定向聚集，目前已在促創(chuàng)面愈合的炎性細胞膜上發(fā)現(xiàn)了特定受體，因此可以期待該類材料在CLTI 的治療過程中的應(yīng)用[30，31]。

2.3 具有響應(yīng)功能的藥物載體

生物材料可以在內(nèi)源或外源刺激下發(fā)生某些性質(zhì)的改變，例如直接在目標(biāo)部位按一定劑量釋放治療藥物，從而減少對附近健康組織的損傷。

2.3.1 具有內(nèi)源響應(yīng)功能的藥物載體

具有內(nèi)源響應(yīng)功能的藥物載體隨著機體內(nèi)部微環(huán)境條件的變化，本身結(jié)構(gòu)、性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)改變，從而產(chǎn)生效應(yīng)[32]。 響應(yīng)條件包括pH、溫度、酶、還原性物質(zhì)等。 pH 和溫度是目前被研究最多的響應(yīng)條件。 隨CLTI 的進展， 缺血部位的pH 與溫度呈下降趨勢[33]。針對缺血部位的溫度特性，Wang R 等[34]制備了一種基于甲基纖維素-鹽體系包封干細胞的溫度響應(yīng)水凝膠，實現(xiàn)了溫控釋放干細胞，有效抑制下肢缺血小鼠的纖維化和肌肉萎縮，加速血流恢復(fù)，促進血管生成。Zhang T 等[35]在pH 和溫度雙響應(yīng)水凝膠中封裝納米粒子，制備了一種智能納米給藥平臺，可以隨pH值和溫度的降低，逐漸提高藥物釋放速率，在缺血小鼠肢體中保護肌肉細胞，促進血管生成。pH 的敏感性極高，其降低甚至先于動脈血流變化[36]。 因此似乎可以期待具有對pH 響應(yīng)功能的生物材料在CLTI 預(yù)防中的應(yīng)用。 此外，具有對酶響應(yīng)功能的藥物載體也在被研究之中。 例如一氧化氮（nitric oxide，NO）具有刺激血管生成的作用，但遠離其產(chǎn)生源時，會被迅速代謝清除。 針對這一特性，Kang M 等[37]制作了一種“NO 明膠”，可以在與轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶交聯(lián)反應(yīng)后即時釋放NO，并可在一定時間內(nèi)保持釋放以持續(xù)促進血管生成。

2.3.2 具有外源響應(yīng)功能的藥物載體

具有外源響應(yīng)功能的藥物載體通過外部干預(yù)引起的性質(zhì)改變產(chǎn)生作用， 外部干預(yù)包括超聲干預(yù)、磁控制、電刺激等。 Jin H 等[38]研發(fā)了一種基于水凝膠的生長因子輸送系統(tǒng)，可以通過聚焦超聲控制生長因子的釋放，在后肢缺血的小鼠模型中表現(xiàn)出了增強血流灌注、促進血管生成和減少組織壞死的效果。 常規(guī)應(yīng)用多普勒超聲評估肢體缺血情況已被廣泛認可，因此，可以期待對超聲具有響應(yīng)功能的生物材料在超聲檢查過程中精準(zhǔn)釋放生物活性分子，從而定點定量產(chǎn)生治療效果[39]。 具有磁響應(yīng)的生物材料既可以通過藥物載體的靶向作用定向運載藥物，也可在快速變化的交感磁場作用下產(chǎn)生電刺激。 肌肉組織長期缺血缺氧，會導(dǎo)致肌肉萎縮和功能喪失，電刺激肌肉組織可以增加肌肉血流灌注、促進肌肉生長及功能恢復(fù)。 因此，磁性生物材料不僅可以通過可控釋放運載藥物產(chǎn)生治療作用，且有理由相信，其產(chǎn)生的電刺激可以促進肢體功能恢復(fù)，從而改善患者生存質(zhì)量。

2.4 生物材料的復(fù)合使用

生物材料的復(fù)合使用主要表現(xiàn)在3 種方式。一是可以通過生物材料的響應(yīng)功能，針對缺血處的微環(huán)境變化，按照一定次序智能釋放載有藥物[35]。 二是生物材料可以與藥物產(chǎn)生協(xié)同作用。 水凝膠可以通過旁分泌作用增強細胞活力，并促進干細胞增殖分化的能力[24，40]。 Huang A 等[40]設(shè)計了一種水凝膠，不僅通過增強細胞活力以保證干細胞的存活率，還可以直接促進血管生成因子的分泌，增強治療作用。 三是通過同時輸注兩種或多種藥物到達病灶， 使其發(fā)揮協(xié)同作用。如Zhang K 等[41]通過同時移植釋放NO 的殼聚糖水凝膠和間充質(zhì)干細胞 （mesenchymal stem cells，MSC）到小鼠模型中， 得益于低濃度的NO 對MSC 的保護作用，使得MSC 持續(xù)作用于缺血部位，從而產(chǎn)生優(yōu)異的治療效果。

3 生物材料的治療作用

某些生物材料已經(jīng)展示出直接或間接地促進血管生成、 血液運行重建來幫助修復(fù)缺血組織的能力，單獨使用生物材料不僅可以改善外周血管缺血情況，還可能是一個更經(jīng)濟的選擇[42]。

在大鼠后肢缺血模型中注射組織特異性骨骼肌ECM 水凝膠和人臍帶來源的ECM 水凝膠，Ungerleider JL 等[43]發(fā)現(xiàn)缺血后肢的血液灌注得到顯著改善，這似乎表明單獨注射ECM 水凝膠可以作為治療PAD 患者的潛在有效療法。 ECM 的促血管生成作用與組成它的彈性蛋白有關(guān)[44]，但彈性蛋白存在天然不溶性和來源受限兩大不足。 Marsico G 等[45]改造彈性蛋白， 構(gòu)建彈性蛋白重組體 （elastin-like recombinamers，ELR），注射到缺血小鼠模型中，觀察到小動脈密度和小動脈橫截面增加， 認為ELR 可以誘導(dǎo)側(cè)支動脈的形成及重塑現(xiàn)有的動脈血管。細胞衍生基質(zhì)的治療潛力也已被證實。 Ha SS 等[46]制備了人成纖維細胞衍生基質(zhì)并將其轉(zhuǎn)化為納米級懸浮制劑，可以在體外促進單核細胞分泌VEGF，在動物模型中可以促進心血管生成與促進傷口愈合。有研究進一步探討了不同濃度的ECM 水凝膠在改善缺血肢體血液灌注效果方面的差異[47]。 除了直接起作用外，某些生物材料可以作用于機體原有的途徑，間接改善缺血情況。 例如McNeill B 等[48]發(fā)現(xiàn)注射Ⅰ型膠原蛋白生物材料可以使人外周血CD34+數(shù)量擴增和功能增強， 通過CD34+細胞途徑間接促進血管生成。 對現(xiàn)有的生物材料進行改造，可以賦予其促血管生成作用。例如在心臟來源的細胞外基質(zhì)（cardiac extracellular matrix，cECM）水凝膠中，并沒有觀察到促進血管生成的效果。Shaik R 等[49]將纖維蛋白摻入cECM 水凝膠中制成重組體，在體外測試中該重組體表現(xiàn)出了促血管生成的功能。

4 結(jié)論

CLTI 是一種危及肢體和生命的疾病， 治療效果和疾病預(yù)后不夠理想。 基于TA 的理論基礎(chǔ)，生物材料的研究與發(fā)展彌補了當(dāng)前干預(yù)措施治療CLTI 的不足之處。 作為藥物載體，生物材料可以穩(wěn)定機體內(nèi)一定時間內(nèi)特定部位的藥物濃度，輔助藥物發(fā)揮治療效果，并可以根據(jù)微環(huán)境的變化做出響應(yīng)。 作為直接起效成分， 生物材料可以直接作用于機體的缺血部位，誘導(dǎo)血管新生，改善血液灌注與促進創(chuàng)面愈合。

盡管近年開展的動物實驗表明生物材料結(jié)合藥物治療取得了很好的效果，但是相關(guān)的臨床試驗未能達到預(yù)期。 這可能與CLTI 在臨床中的高度復(fù)雜性有關(guān)。 血液運行改善是改變CLTI 結(jié)局的重要因素，同時缺血肢體的創(chuàng)面情況、患者的合并癥、藥物使用、生活方式、營養(yǎng)狀況等因素均可對CLTI 的結(jié)局造成影響[50，51]。 目前的研究大多基于TA 理論，以圍繞改善肢體血液運行的方向開展，并未重視生物材料對其他危險因素的作用。

即便如此，無論是生物材料的復(fù)合使用所表現(xiàn)出的多方面、多層次的干預(yù)能力，還是通過對生物材料的改造賦予其新特性，均在CLTI 的治療中展現(xiàn)出了極大的可能性。 將不同的功能單元結(jié)合，并通過改造生物材料添加響應(yīng)條件，即可組成“智能化”的藥物遞送系統(tǒng)，有望實現(xiàn)在治療中使藥物系統(tǒng)隨理化環(huán)境的改變從血液運行、炎癥、營養(yǎng)等多方面同時發(fā)揮作用，達到治療目的。因此，在后續(xù)的研究中，應(yīng)當(dāng)多方面挖掘生物材料的潛力，以獲得更符合預(yù)期的結(jié)果。