載藥釋放系統(tǒng)治療骨髓炎合并骨缺損研究進展

劉琛 綜述 陽青松 蘇佳燦 審校

骨髓炎是常見的感染性疾病，通常由需氧或厭氧菌、分枝桿菌、真菌的感染引起，好發(fā)于椎骨、糖尿病患者的足部及外傷或手術(shù)引起的穿透性骨損傷部位。由于骨髓炎對骨質(zhì)的大量破壞，常會并發(fā)骨缺損。傳統(tǒng)的治療方法包括手術(shù)清除壞死部分、死骨的移除、抗生素抗感染三個部分?？股刂委熾A段，通常采用靜脈注射和口服聯(lián)合用藥，但骨的特殊結(jié)構(gòu)常導(dǎo)致局部藥物有效濃度難以控制。臨床需要使用大劑量抗生素以維持有效濃度。為了防止骨髓炎復(fù)發(fā)還需要持續(xù)口服抗生素，從而導(dǎo)致其他臟器的功能紊亂。載藥系統(tǒng)的出現(xiàn)使得骨髓炎合并骨缺損的治療獲得很大的進展?，F(xiàn)就載藥系統(tǒng)在治療骨髓炎合并骨缺損上的研究進展進行綜述。

1 骨髓炎合并骨缺損

1.1 發(fā)病因素及分類

骨髓炎臨床上通常分為五種類型，包括硬化性骨髓炎、急性血源性骨髓炎、慢性化膿性骨髓炎、外傷性化膿性骨髓炎和醫(yī)源性骨髓炎。根據(jù)發(fā)病因素通常分為以下三類：全身其他部位感染經(jīng)血引起的血源性骨髓炎，外傷導(dǎo)致細(xì)菌等致病物質(zhì)直接進入骨髓腔引起的外傷性骨髓炎，鄰近組織感染直接蔓延引起的骨髓炎。其中，血源性感染以金黃色葡萄球菌感染為最常見，常見于兒童，發(fā)病部位以脛骨上段和股骨下段最多見，其次為肱骨和髂骨，脊柱與其他四肢骨骼都可以發(fā)病。外傷性感染通常包括刀傷、槍彈傷、開放性或閉合性骨折，以及關(guān)節(jié)手術(shù)時無菌操作不嚴(yán)格和術(shù)后感染，其特點主要是感染局限于骨折處，附近組織亦同時處于急性化膿性炎癥狀態(tài)，其感染過程大多呈慢性狀態(tài)。

1.2 治療現(xiàn)狀

血源性感染中對于急性和慢性兩種狀態(tài)予以不同的治療方案。急性血源性感染常同時施以抗生素治療和手術(shù)治療。抗生素治療應(yīng)該在早期予以足量抗生素以控制全身感染和局部感染，據(jù)療效判定是否需要進行手術(shù)治療。

慢性血源性感染以手術(shù)治療為主，原則是清除死骨、變性肉芽組織，并消滅死腔。術(shù)后需要解決3個問題：①清除病灶，即進入病灶吸出膿液，清除死骨，以便在術(shù)后可以閉合竇道；②消滅死腔，通常包括碟形手術(shù)、肌瓣填塞、閉式灌洗、慶大霉素骨水泥珠鏈填塞和二期植骨等；③閉合傷口，一期縫合并留置負(fù)壓引流管。

創(chuàng)傷性骨髓炎以及鄰近組織播散的骨髓炎，通常采取手術(shù)治療的方法。首先進行清創(chuàng)和擴創(chuàng)，進而在骨髓腔內(nèi)植入固定針，對原發(fā)病灶進行處理，再進行抗感染治療，包括抗生素預(yù)防治療和抗生素抗菌治療，此階段需要大量抗生素應(yīng)用，以保證組織的藥物濃度達到最低的抑菌濃度。

傳統(tǒng)的治療方法療程長，而且需要反復(fù)手術(shù)，抗生素的大量使用也導(dǎo)致機體產(chǎn)生耐藥性，而且由于抗生素的局部有效濃度比較低，需要提高全身用量，導(dǎo)致機體其他組織器官的功能障礙。載藥系統(tǒng)的出現(xiàn)對骨髓炎合并骨缺損的治療產(chǎn)生了巨大影響，臨床應(yīng)用也日趨廣泛，但在材料的選擇上存在較大差異。

2 載藥系統(tǒng)

2.1 載藥系統(tǒng)的分類及特點

載藥系統(tǒng)可以分為生物不可降解性材料和生物可降解性材料兩大類。不可降解的材料主要是聚甲基甲丙烯酸鹽（Polymethylmethacrylate，PMMA），PMMA 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于局部抗生素釋放和死腔的治療。負(fù)載于PMMA的抗生素最常見的有氨基糖苷類、慶大霉素、托普霉素等?？山到獾纳镄圆牧现饕ǎ耗z原海綿、乳酸聚合物、基于磷酸氫鈣的生物陶瓷和混合型材料等?？山到獾纳镄圆牧蠎?yīng)用于臨床時間較短，其作用效果還有待于長期觀察。

PMMA應(yīng)用于臨床治療已經(jīng)20多年，療效比傳統(tǒng)方法提高很多，但存在以下缺點：①生物相容性不高，與組織的融合度很差，需要二次手術(shù)將其從體內(nèi)移除；②藥物釋放濃度不夠，局部的有效濃度較低；③有部分的耐藥菌可以附著在材料表面，導(dǎo)致細(xì)菌的大量繁殖，導(dǎo)致病情反復(fù)[1]。

可降解的生物性材料克服了上述問題，具有良好的生物相容性，可體內(nèi)降解而不需要手術(shù)去除，隨著材料的降解可以誘導(dǎo)骨的成長，對骨髓炎合并骨缺損的修復(fù)具有積極的作用。同時由于其理化特性，可以將其直接注入骨髓腔內(nèi)在骨髓腔內(nèi)進行凝固反應(yīng)，并可在局部產(chǎn)生很高的藥物濃度，達到抗感染的作用。另外，自固化磷酸氫鈣（CPC）作為載藥系統(tǒng)，除了可以應(yīng)用于抗生素載藥外，還可以運用在抗腫瘤藥物、鎮(zhèn)痛藥物以及一系列生長因子藥物的搭載上[2]。

2.2 載藥系統(tǒng)的藥物釋放動力學(xué)特點

載藥系統(tǒng)的藥物釋放是由材料的微結(jié)構(gòu)、藥物的可溶性、藥物與其搭載系統(tǒng)的親和力以及材料的降解特性決定的。以CPC為例，藥物可以通過固相和粉相載入CPC，其藥物釋放動力學(xué)遵循Higuchi's法則Mt=Amo[DCs(2Co-Cs)t]1/2（Mt為t時間內(nèi)藥物釋放量，Mo為藥物總量，A為載體骨表面積，D為基質(zhì)藥物彌散系數(shù)，Cs為基質(zhì)藥物溶解度，Co為基質(zhì)藥物初始濃度），顯示了藥物的釋放與材料的孔隙率成正比，材料的微結(jié)構(gòu)在藥物的釋放中具有重要的作用[1]。

2.3 載藥系統(tǒng)的制備

2.3.1 基本納米仿生骨材料特點

各類生物材料的制備方法多種多樣，都是基于材料的理化性質(zhì)，以及藥物與材料結(jié)合后的藥物釋放動力學(xué)特點?；炯{米仿生骨（n-HA）組織的制備，通常是將CaPO3溶解、凝膠化、固化低溫?zé)崽幚砗蟮玫絥-H A粒子，再加入Si3N4與β-SiC成形燒結(jié)而成。用n-HA晶粒制作骨替代材料較方便，且易于塑形，便于在納米仿生骨中加入其他藥物或因子。但由于n-HA缺乏膠原，成形后不能形成松質(zhì)骨樣的孔隙，因此在組織相容性與吸收率上仍存在不足。

n-HAC的制備方法包括：pH控制的自組裝雙親縮氨酸分子重現(xiàn)細(xì)胞外基質(zhì)納米機構(gòu)纖維支架法、交替沉淀法、滴定共沉淀法和仿體內(nèi)骨膠原礦化法等。這些方法制備的n-HAC在組分和超微結(jié)構(gòu)上均與自然骨類似，膠原的存在使成骨細(xì)胞增殖、活化，纖維基質(zhì)迅速轉(zhuǎn)變成骨傳導(dǎo)的基質(zhì)。植入物降解和骨替代過程與骨重建過程相似。因此，n－HAC具有較好的降解性、吸收率和組織相容性。但當(dāng)n-HAC的仿生性增強時，其載藥和塑形就變得相對困難。

n-HA/PA66是將n-HA晶粒與PA66混合制成，可看作是單純使用n-HA晶粒的改良型材料。實驗證實，PA66有良好的組織相容性，在體內(nèi)的降解速率適中，對人體無毒副作用。加入了PA66的n-HA可以提高替代材料的韌性，克服了n-HA材料質(zhì)脆、降解慢的缺點。

2.3.2 納米仿生骨的添加成分

近年來的研究報道中，納米仿生骨添加的生物活性成分主要包括以下幾種：①增加材料骨誘導(dǎo)與促進骨生成作用的成分，包括成骨細(xì)胞、BMSCs及能產(chǎn)生BMP質(zhì)粒的真核載體等。②改善納米仿生骨性質(zhì)的無機、有機成分。無機成分包括增加材料組織相容性與硬度的碳納米管，使其成為具有可塑性的磷酸鈣粉，增加硬度的Si3N4與β-SiC，促進代謝、造血與骨骼恢復(fù)的無機金屬成分；有機成分包括增加材料韌性的纖維材料與PA66等。③治療骨髓炎并預(yù)防感染的成分，包括常用的抗生素，如慶大霉素，防止厭氧菌感染的克林霉素，對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）有效的萬古霉素等。④對骨釋藥系統(tǒng)增效與緩解的成分。Takahashi-Nishiok等[3]發(fā)現(xiàn)酸性氨基酸，如門冬氨酸(L-asparticacid，L-Asp)或谷氨酸與HA聯(lián)結(jié)更緊密，于是用雌二醇、左氧氟沙星與L-Asp結(jié)合成六肽化合物，實驗證明該物質(zhì)降解良好，且可最大程度發(fā)揮左氧氟沙星的作用，可作為一種良好的人工骨添加材料。

2.3.3 納米仿生骨的形狀特點與應(yīng)用

納米仿生骨的孔徑大小與孔隙率是影響正常骨組織長入與材料降解吸收的重要方面。多孔結(jié)構(gòu)可提供較大的表面積和空間，不但能促進細(xì)胞的黏附生長，還有利于細(xì)胞外基質(zhì)的沉積、營養(yǎng)和氧氣的進入、代謝產(chǎn)物的排出，及血管、神經(jīng)生長。Baroth等[4]先用燒結(jié)法在材料中制備微米級小孔，再用球磨法將材料磨成粒徑為O.5～1.0 mm的顆粒，最后以一種親水性黏結(jié)劑黏結(jié)制成具有2種孔徑 （小孔 80～100 μm、大孔0.5～1.0 mm）的材料，小孔有利于提高組織相容性及材料吸收率，大孔則有利于周圍骨組織的長入。近來研究較多的是一種管型納米材料，由許多納米級微管整齊排列而成，組織相容性好，同時也是一種可長期釋藥的良好載體，甚至通過控制微管兩端的電位還可使藥物定時定量釋放。

3 載藥系統(tǒng)在抗生素、解熱鎮(zhèn)痛藥、生長因子中的應(yīng)用特點

3.1 抗生素載藥系統(tǒng)

3.1.1 抗生素載藥系統(tǒng)的藥物釋放動力學(xué)及材料理化性質(zhì)

抗生素用于治療骨骼感染已經(jīng)有了很廣泛的研究，給藥途徑包括預(yù)防給藥、經(jīng)口給藥、經(jīng)靜脈給藥等。但是，這些給藥途徑難以在局部產(chǎn)生有效濃度，無法有效控制感染。在傳統(tǒng)的治療方法中還包括植入含有慶大霉素硫酸鹽的PMMA，然而，后期還需進行二次手術(shù)移除。也有將抗生素搭載在磷酸氫鈣陶瓷上，但是由于陶瓷的形態(tài)固定，很難植入復(fù)雜的骨骼缺損中。另外可行的材料還有1/2水合硫酸鈣，可以形成骨水泥，但存在的最主要問題就是其機械強度太低。搭載有抗生素的CPC可以很大程度上克服這些缺點。

研究表明，抗生素和CPC的化學(xué)反應(yīng)可以對其理化性質(zhì)進行修飾，如加入四環(huán)素后可導(dǎo)致磷灰石黏固粉機械強度的下降。而CPC與鈣離子絡(luò)合后其機械性質(zhì)大大提高，所以CPC允許更大劑量的藥物搭載，同時又不影響骨水泥（系統(tǒng)）的凝固時間，以及水泥的機械性質(zhì)。藥物釋放動力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，抗生素的釋放速度太快。因此，Takechi等[5]加入了藻酸鈉和殼聚糖，從而使得抗生素的釋放速率得到很大程度的降低。Bohner等[6]向磷酸氫鈣水泥中加入了聚丙烯酸（PAA），觀察到慶大霉素釋放時間得到了延長，尤其是當(dāng)加入了高分子量的PAA時。根據(jù)加入的PAA的量，慶大霉素釋放的總量在58%～100%不等。當(dāng)加入高分子量的PAA時候，持續(xù)釋放8 d后，可以觀察到藥物100%釋放。

體內(nèi)試驗中，針對萬古霉素在體內(nèi)的釋放過程，CPC分別搭載1%、2%、5%的萬古霉素。3周后，觀察到搭載有5%萬古霉素的CPC在骨髓腔內(nèi)形成了比臨床所需最低有效濃度高20倍的藥物濃度。另外，Stallmann等[7]比較了搭載慶大霉素和HLF1-11的CPC的抗菌效果，結(jié)果表明兩者對于金黃色葡萄球菌引起的骨髓炎都有抑菌作用，能有效控制病情，但慶大霉素的效果更優(yōu)。

Tamazawa等[8]發(fā)現(xiàn)，加替沙星（GFLX）載入 PLGA和 β-三磷酸鈣在治療骨髓炎中具有很好的效果，通過對兔子骨髓炎模型的研究，提示該材料可產(chǎn)生較其他材料更高的局部抗生素濃度。另外，其骨誘導(dǎo)性也較其他材料更加顯著，能有效支持和誘導(dǎo)血管的生長。

3.1.2 抗生素載藥系統(tǒng)的外科操作

由于商品化載藥系統(tǒng)通常沒有經(jīng)過預(yù)處理，因而常需在置放前進行預(yù)處理。通常是在每40 g的人工骨粉劑中加入一定量的抗生素，Hanssen等[9]建議每40 g粉劑中加入3.6 g的抗生素。他們認(rèn)為這是在關(guān)節(jié)造形術(shù)中形成靜態(tài)隔離區(qū)的有效濃度，但是存在導(dǎo)致結(jié)構(gòu)錯位的問題。Gogia等[10]建議在不同的手術(shù)中，采用不同的預(yù)處理，在每40 g人工骨粉劑中至少加入2 g抗生素的前提下進行用量的改變。比如，在治療關(guān)節(jié)的感染或者骨不連的患者時，每40 g的骨水泥需要加入4~8 g抗生素。

3.2 解熱鎮(zhèn)痛載藥系統(tǒng)

Ginebra等[11]研究了加入由甲基丙烯酰胺衍生的氨基酸水楊酸對于磷石灰粘固粉的影響，發(fā)現(xiàn)材料的凝固性下降，機械強度增加，其抗壓度增加了25%而可形變度增加了80%。

有研究對搭載有乙酰水楊酸的TTCP/DCP/HA骨水泥進行了體內(nèi)實驗，發(fā)現(xiàn)伴隨著材料孔隙率的增大，藥物釋放的速率得到了很大提高，而且證實藥物釋放由藥物經(jīng)孔隙彌散控制 （遵循修飾過的Fick法則，即Fick第二擴散定律，F(xiàn)ick第二定律通常被用來描述氯離子在混凝土中的擴散性質(zhì)）。

3.3 生長因子載藥系統(tǒng)

生長因子是一大類大分子蛋白，通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分裂和凋亡等生物學(xué)行為。其中，有一類超家族TGF-β（包括有1、2、3三個亞型）以及隸屬其他蛋白的骨成形蛋白（BMP）與骨的再生相關(guān)。這些生長因子通過復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)介導(dǎo)級聯(lián)放大反應(yīng)，誘導(dǎo)下游信號分子變化，產(chǎn)生生物學(xué)反應(yīng)，包括激活成骨細(xì)胞、誘導(dǎo)成骨。除此之外，研究表明，BMP具有骨誘導(dǎo)性，并能促進多能干細(xì)胞分化為骨成形細(xì)胞介導(dǎo)成骨反應(yīng)[12]。

Inoda等[13]對45只Wistar大鼠的骨缺損模型進行對照實驗，實驗將45只大鼠分為自體骨移植組、rh-BMP2生物材料移植組（TEB）和異體骨移植組（FAB）。分別在第3周、第6周、第9周后觀察三組的組織學(xué)特點，發(fā)現(xiàn)TEB組在3周后出現(xiàn)了有效的新生骨組織，而自體骨移植組和FAB組分別在第3和第9周出現(xiàn)。由此可見，rh-BMP2在誘導(dǎo)骨缺損修復(fù)中具有著重要意義。

最近，Blom 等[14－15]研究了搭載有 rhTGF-β1 的 CPC （基于α-TCP、TTCP、DCPD）對于體外骨形成的影響。結(jié)果表明，加入rhTGF-β1后刺激了成骨細(xì)胞前體細(xì)胞的分化。關(guān)于rhTGF-β1對于CPC的機械強度以及理化性質(zhì)的影響的研究表明，搭載有TGF的CPC與其他常規(guī)的骨水泥沒有明顯不同[16]。在與抗生素載藥系統(tǒng)的對比中發(fā)現(xiàn)，生長因子載藥系統(tǒng)的藥物釋放（在28 d后釋放了3.1%）比抗生素載藥系統(tǒng)（在28 d后釋放了18%）緩慢很多。

Fan等[17]通過對 CPC的改進，合成了 CMCP（Calciummagnesium phosphate cement），發(fā)現(xiàn)CMCP在生物親和性以及降解速率上較CPC有了明顯提高，克服了以往CPC較低的機械強度、較慢的生物降解速率等問題[17-18]。首先，由于CPC凝固速率較慢常導(dǎo)致CPC尚未凝固就被體液洗脫，引入MPC的CMCP提高了凝固速率 （將平均凝固時間由15 min減少到了6 min）。另外，在生物降解速率方面，通過觀察材料浸潤在 SBF（Simulated body fluid）中 30 d后，材料的形態(tài)學(xué)特點顯示MPC、CMPC、CPC三者中MPC的降解率最高，CMPC次之，CPC最低[17]。在促進骨再生方面，CMPC具有比CPC更明顯的成骨促進作用。

Bodde等[19]通過對CPC的臨床應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，CPC具有很高的生物相容性，而Wu等[20-21]也在前期研究中發(fā)現(xiàn)MCP具有很高的生物相容性。而Wu等[17]的研究顯示，CMPC在生物相容性上具有比上述兩者更多的優(yōu)點。

4 展望

骨髓炎合并骨缺損是臨床上的常見病，治療較為復(fù)雜困難。處理不當(dāng)會造成患者病情惡化甚至截肢。目前的治療方法有很多，但治療效果均不理想，常造成病情反復(fù)，導(dǎo)致骨不連等。載藥系統(tǒng)的研究對于骨髓炎合并骨缺損具有很重要的意義，首先在于其獨特的生物學(xué)特性、理化性質(zhì)；另外，隨著近年來對于骨生長因子超家族TGF、BMP等的深入研究，在骨缺損的治療中，將生長因子搭載在載藥系統(tǒng)上成為新的治療方案。鑒于現(xiàn)在生物材料學(xué)研究的大力發(fā)展、骨生長因子機制的進一步探索，以及藥物釋放動力學(xué)體內(nèi)研究的豐富與深入，必定為載藥系統(tǒng)對骨髓炎合并骨缺損的治療提供更多、更有力的理論依據(jù)和可行的指導(dǎo)方法。

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