輸尿管支架涂層的研究進(jìn)展

郝偉玉

(太原市人民醫(yī)院,山西 太原 030001)

輸尿管支架自20世紀(jì)70年代在臨床首次使用以來(lái),已廣泛用于解決上尿路梗阻問(wèn)題,通過(guò)輸尿管支架支撐作用,保持尿液引流通暢,但是長(zhǎng)期留置支架,易產(chǎn)生細(xì)菌定殖,形成生物膜,引起腎盂腎炎、敗血癥等并發(fā)癥,也容易結(jié)殼,從而導(dǎo)致支架梗阻、移位、引流不暢、斷裂,造成置管失敗。

1 留置輸尿管支架失敗的原因

1.1 支架表面形成生物膜

輸尿管支架置入人體內(nèi)24 h后取出,90%支架表面檢測(cè)出有細(xì)菌定植。細(xì)菌定植的開(kāi)始階段,細(xì)菌和支架表面的粘合力是可逆的,親水性和靜電作用較弱,但隨著時(shí)間的延長(zhǎng),這個(gè)親和力越來(lái)越強(qiáng),細(xì)菌最終牢固吸附在支架表面,而且會(huì)分泌表多糖物質(zhì),形成細(xì)胞外聚合物(EPS),再逐漸形成生物膜。隨著細(xì)菌微生物群落繁殖,支架表面蛋白質(zhì)和EPS增多,細(xì)菌分泌的表多糖層層覆蓋生物膜,細(xì)菌層就相應(yīng)被隔離。生物膜隔絕的細(xì)菌,不易受到抗菌藥物干擾,易產(chǎn)生耐藥性。生物膜中細(xì)菌最小抑菌濃度是懸浮狀態(tài)細(xì)菌的1 000倍。生物膜的隔絕作用為細(xì)菌等微生物提供了溫床,導(dǎo)致慢性感染。2019版的歐洲泌尿外科指南指出,當(dāng)結(jié)石術(shù)后出現(xiàn)輸尿管管壁損傷、結(jié)石殘留、出血、感染、合并妊娠時(shí),推薦留置輸尿管支架1～2周,而細(xì)菌2周內(nèi)就會(huì)發(fā)生定植,時(shí)間越長(zhǎng),感染概率越高,所以長(zhǎng)時(shí)間低劑量使用抗生素,并不能降低感染風(fēng)險(xiǎn),也不能預(yù)防尿膿毒血癥。

1.2 支架表面結(jié)殼

支架表面形成生物膜后,細(xì)菌繁殖產(chǎn)生尿素酶,尿素酶將尿素水解為氨和氨基甲酸酯。氨離子偏堿性,導(dǎo)致尿液pH值升高,促進(jìn)鈣和磷酸鎂離子沉積,使支架表面形成結(jié)晶體,最終形成結(jié)殼。9.2%～26.8%患者會(huì)在6周內(nèi)結(jié)殼,47.5%～56.9%患者會(huì)在6～12周結(jié)殼,75.9%～76.3%患者會(huì)在12周結(jié)殼。無(wú)癥狀感染者在支架留置3～6周內(nèi),可觀察到低濃度的厭氧菌,如奇異變形桿菌、產(chǎn)氣克雷伯氏菌、摩氏摩根菌、肺炎克雷伯桿菌。結(jié)殼會(huì)影響輸尿管蠕動(dòng),導(dǎo)致患者出現(xiàn)腰困、尿頻等臨床癥狀,甚至需提前取出支架。為減少支架不良反應(yīng),相關(guān)研究以減少細(xì)菌定植為主。使用涂層覆蓋支架表面是目前的研究熱點(diǎn),以抗菌和防黏附涂層為主。

2 抗菌涂層物質(zhì)

2.1 抗生素

將導(dǎo)管浸漬在含有抗生素的有機(jī)溶劑中,如環(huán)丙沙星、慶大霉素、諾氟沙星、呋喃西林等,溶劑揮發(fā)后,形成涂層。相比于銀合金涂層,抗生素呋喃西林能夠較好地抑制糞球菌、大腸桿菌、表皮葡萄球菌、銅綠假單胞菌等,抑制支架形成生物膜,且成本更低。但在動(dòng)物模型研究中,呋喃西林容易引起乳腺和卵巢的腫瘤[1]。目前主流抗生素方案是洗脫類(lèi)支架,它可以緩慢釋放抗生素,常含有多種相互協(xié)同抗生素,而單獨(dú)使用某種藥物(比如利福平),則很快產(chǎn)生抗藥性[2]。而抗生素的濫用和耐藥性問(wèn)題,已成為抗生素洗脫類(lèi)支架研究的難點(diǎn)。

2.2 銀

銀是目前得到美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)的少數(shù)抗菌劑之一,它的殺菌機(jī)制為損傷微生物細(xì)胞膜、影響鐵離子合成和蛋白合成、降低細(xì)胞氧化應(yīng)激能力。銀的涂層目前有三種類(lèi)型:銀合金、銀聚合物、銀納米粒子。使用納米銀-聚四氟乙烯聚合物(Ag-PTFE)涂層導(dǎo)管,與無(wú)涂層對(duì)照組導(dǎo)管相比,能夠減少55.2%～60.3%細(xì)菌黏附,抑制生物膜形成的有效率為97.4%[3]。Gao等[4]使用金銀納米粒子包裹聚乙交酯-丙交酯,形成聚合體涂層,在16 d體外試驗(yàn)中,支架持續(xù)具有抑菌性、低毒性;在7 d動(dòng)物體內(nèi)試驗(yàn)中,導(dǎo)管強(qiáng)效抑制生物膜形成,減輕炎癥,最后自行降解。盡管大量文獻(xiàn)報(bào)道銀是安全有效的抗菌劑,但因成本高昂,缺乏大規(guī)模對(duì)照試驗(yàn),導(dǎo)致銀涂層導(dǎo)管并未大規(guī)模應(yīng)用。目前研究的方向傾向于使用銀聚合物來(lái)減少毒性。

2.3 三氯生

低濃度三氯生可抑制細(xì)菌脂肪酸的合成,高濃度可通過(guò)影響細(xì)菌細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)進(jìn)行殺菌。該涂層不僅能夠抑制細(xì)菌,也能夠降低術(shù)后腎絞痛、尿痛、尿頻和尿急癥狀發(fā)生率。將三氯生與水性聚氨酯物形成涂層共載物,能夠明顯抑制細(xì)菌增殖,阻斷生物膜的形成,減少導(dǎo)管的結(jié)殼[5]。Henly等[6]比較三氯生、聚亞己基雙胍、氯化苯甲烴銨以及銀四種物質(zhì)的大腸埃細(xì)菌的最低抑菌濃度、最低殺菌濃度、最小抑制生物膜濃度,結(jié)果顯示,三氯生具有快速、良好的抗菌敏感性。而生物相容指數(shù)為聚亞己基雙胍>三氯生>氯化苯甲烴銨>銀,因此,三氯生使用舒適度良好。盡管三氯生應(yīng)用前景良好,但因潛在細(xì)胞毒性和細(xì)菌耐藥性,目前仍是FDA的觀察藥物。

2.4 抗菌肽

抗菌肽是一種小分子蛋白,一般包含10～50個(gè)氨基酸,主要是賴(lài)氨酸和精氨酸,可直接調(diào)節(jié)機(jī)體免疫功能,或者間接刺激機(jī)體產(chǎn)生抗體?？咕目刮⑸锇悬c(diǎn)較多:抑制細(xì)菌細(xì)胞壁的合成;抑制DNA,RNA以及蛋白質(zhì)的合成;更改細(xì)胞膜的通透性;抑制酶的活性。抗菌肽的多點(diǎn)打擊導(dǎo)致細(xì)菌幾乎不可能出現(xiàn)耐藥性。

Yao等[7]將錨定的貽貝多肽和抗菌肽以疊氮基形式組合,該涂層在體內(nèi)和體外試驗(yàn)中都顯示出良好抑菌和防結(jié)殼能力。Yu等[8]制成新型聚合物刷,將抗菌肽移出至支架表面,阻止EPS的形成。盡管體內(nèi)實(shí)驗(yàn)效果顯著,但抗菌肽聚合物刷具有局部毒性,對(duì)pH敏感,反復(fù)使用易對(duì)蛋白水解酶過(guò)敏,合成成本較高,從而限制其應(yīng)用。

2.5 其他

季銨鹽含有龍膽紫和氯己定新型殺菌劑,可制成洗脫支架。在體外培養(yǎng)條件下,使用2%季銨鹽涂層,能夠抑制多種陽(yáng)性菌和陰性菌的黏附和增殖,抑菌時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1～2周。殼聚糖是一種天然陽(yáng)離子物、生物可降解的多聚糖、弱性聚電解質(zhì)物。一般認(rèn)為它可以增加細(xì)菌細(xì)胞膜通透性,但具體作用尚不明確。因殼聚糖有易溶性,從而限制了其應(yīng)用。為加強(qiáng)殼聚糖涂層的吸附和抗菌能力,研究人員將殼聚糖脂肪酸化,形成多肽鏈聚合物涂層,在體外細(xì)菌培養(yǎng)條件下,可明顯抑制金黃色葡萄球菌[9]。而利用殼聚糖易溶性的特點(diǎn),可制成自然降解支架,也可冷鑄成多孔的殼聚糖涂層支架,與普通的8Fr支架相比,流體動(dòng)力學(xué)性能提高17%[10]。肝素是經(jīng)硫酸化的黏多糖物質(zhì),具有強(qiáng)大抗凝作用,也可抑制微生物的繁殖。肝素的涂層方法有三種:簡(jiǎn)單物理吸附、聚合物包裹、通過(guò)載體形成共價(jià)結(jié)合體。目前研究認(rèn)為第三種方式效果佳。體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)中,使用肝素-L賴(lài)氨酸-銅形成納米共價(jià)結(jié)合體涂層,可抑制奇異變形桿菌增殖和生物膜形成,支架上結(jié)殼(鈣和鎂)也隨之減少[11]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中,將肝素制成可降解支架涂層,在48 h內(nèi)可降低18%細(xì)菌感染率,同時(shí)并不影響支架降解速度[12]。

3 防黏附涂層

防黏附涂層通過(guò)在導(dǎo)管表面形成親水隔斷層,防止細(xì)菌黏附,阻止生物膜的形成。水凝膠是一種親水性聚合物,可吸收大量水分子形成薄層結(jié)構(gòu),具有超滑特性,對(duì)機(jī)體刺激小。通過(guò)水凝膠形成支架聚合物,可以較好防止細(xì)菌黏附。Szell等[13]在體外實(shí)驗(yàn)中,將N,N-二甲基丙烯酰胺多(PDMMA)聚合水凝膠制成涂層,可有效防止細(xì)菌黏附,并且通過(guò)排斥細(xì)菌蛋白,能夠減少約5倍細(xì)菌數(shù)量。Laurenti等[14]將水凝膠-氧化鋅制成高分子聚合物,在偏酸和堿性環(huán)境中,鋅離子也可以穩(wěn)定釋放。

聚乙烯吡咯烷酮(PVP)是一種親水性聚合物,它可吸收自身重量40%的水分,具有超滑、防黏附的特性,可減少細(xì)菌黏附和繁殖。使用PVP交聯(lián)的輸尿管支架,與聚氨酯輸尿管支架相比,組織相容性較好。

聚乙二醇(PEG)有聚醚結(jié)構(gòu),能夠結(jié)合兩個(gè)水分子,減少導(dǎo)管的摩擦系數(shù),增加流體能力。聚乙二醇具有抑菌和抑制生物膜形成作用,它的缺點(diǎn)是錨定分子密度小,容易出現(xiàn)水解,尤其在溫度變化時(shí),易產(chǎn)生氧化反應(yīng)。為克服這些困難,研究人員將一種新型物質(zhì)3-4苯丙氨酸(DOPA)黏附在PEG表面,同時(shí)加入銀離子形成共聚體,可減少細(xì)菌黏附,增強(qiáng)抗菌能力[15]。兔膀胱炎模型體內(nèi)試驗(yàn)中,DOPA-PEG能夠明顯減少尿道內(nèi)大腸埃細(xì)菌的數(shù)量[16]。

聚四氟乙烯是在研究含氯氟烴制冷劑時(shí)被發(fā)現(xiàn)的,擁有超強(qiáng)的疏水性,摩擦系數(shù)只有0.05～0.1,且可對(duì)抗細(xì)菌黏附的初始力,所以可抑制細(xì)菌增殖。使用納米銀-聚四氟乙烯聚合物涂層導(dǎo)管,不僅能夠明顯減少細(xì)菌黏附[3],也能延遲導(dǎo)管阻塞的時(shí)間[17]。但也有臨床個(gè)案報(bào)道[18],因?yàn)槠渚哂谐?輸尿管支架回縮盤(pán)曲在輸尿管上段,導(dǎo)致取管困難。

4 總結(jié)和展望

目前市場(chǎng)上涂層主要以銀合金和抗生素為主,隨著材料學(xué)的發(fā)展,不同材料相互聚合,并混合使用納米等技術(shù)是今后研究的熱點(diǎn)。目前涂層抑制抗生素的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,而臨床的研究又相互矛盾,導(dǎo)致開(kāi)發(fā)新型涂層相關(guān)研究的側(cè)重點(diǎn)不同。由于導(dǎo)管的尿流動(dòng)力學(xué)系數(shù)較少,使臨床推廣困難。目前尚沒(méi)有開(kāi)發(fā)出安全無(wú)任何并發(fā)癥的支架,相信隨著技術(shù)的不斷迭代,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立,輸尿管支架涂層將會(huì)蓬勃發(fā)展。