負載淫羊藿苷的骨缺損修復支架材料研究進展

侯雪峰 柏鑫 高玉海 陳克明,*

1.甘肅中醫(yī)藥大學，甘肅 蘭州 730000 2.中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第九四○醫(yī)院骨研所，甘肅 蘭州 730050

骨缺損是骨科常見疾病，由于骨的再生能力十分有限，常難以獲得良好的修復效果。目前臨床中常用自體骨移植來修復大面積骨缺損，但骨源少，風險高，導致骨移植在臨床應用中具有嚴重的局限性[1]。隨著對具有骨再生和骨誘導能力的支架材料的深入研究，國內外學者發(fā)現(xiàn)將種子細胞或細胞因子加載到支架材料中，?？墒斋@良好的治療效果。淫羊藿苷(Icariin，ICA)是中草藥淫羊藿的主要有效成分，其可顯著提高堿性磷酸酶、骨鈣素等相關轉錄因子以及促進骨形態(tài)發(fā)生蛋白等成骨相關蛋白的表達進而促進骨髓間充質干細胞進行成骨性分化和成骨細胞的鈣化作用，并抑制破骨細胞的生成及其骨吸收活性，同時還具有良好的抗炎活性及促進血管生成的作用[2-4]。近年來眾多研究者將高純度的淫羊藿苷粉末與支架材料制成復合物，應用于骨缺損的修復研究。由于淫羊藿苷無異位成骨問題，在常溫下不易丟失活性，與支架材料復合后可達到控釋效果，故是一種理想的骨生長因子替代材料，特別適合應用于骨組織工程研究。本文對負載淫羊藿苷支架材料的相關研究作一綜述，旨在總結經驗以供后續(xù)研究參考。

1 負載ICA的天然生物衍生材料

天然生物材料指通過特殊的處理方法獲得的用于骨組織工程的天然生物組織材料，包括異種骨、膠原等。天然生物材料具備良好的細胞相容性和生物降解性能，部分天然生物材料還含有多種細胞因子，具有良好的修復能力。

小腸黏膜下層(small intestine submucosa，SIS)是來源于豬小腸黏膜下層的天然細胞外基質類衍生生物材料[6]，含有血管內皮生長因子、表皮生長因子等多種細胞因子，具有優(yōu)異的生物相容性和較低的細胞毒性等，已被用作多種組織工程的藥物控釋遞送載體[7]。Li等[8]研究發(fā)現(xiàn)，4層SIS可為ICA提供更多的結合位點，且具有更高的機械強度，同時對ICA的控釋長達30 d。另外，由于SIS具有多種生長因子，在負載ICA后血管生成和成骨作用增強，且新生骨與移植部位的原始骨基本相同。進一步研究顯示，在負載ICA的小腸黏膜下層支架(ICA-SIS)上培養(yǎng)成骨細胞所制備出的藥物衍生細胞外基質修飾支架(ICA-ECM-SIS)比ICA-SIS具備更好的骨傳導性，顯著提高了新骨形成率，發(fā)揮了更強的骨再生作用[9]。

富血小板血漿(platelet-rich plasma，PRP)含有豐富的生長因子，將其冷凍干燥可制成凍干PRP(FD-PRP)。有人將ICA混入FD-PRP中，使其可以持續(xù)將ICA釋放到腱-骨愈合部位，促進了新骨的形成、重塑和礦化[10]。

2 負載ICA的人工材料

2.1 負載ICA的無機材料

納米羥基磷灰石(nano-hydroxyapatite，n-HA)是一種生物相容性、骨傳導性和成骨性優(yōu)越的生物材料，研究表明在n-HA中植入ICA較單純n-HA形成更多新骨，修復效果良好。而將脂肪間充質干細胞與ICA一同加載于n-HA上，其骨修復效果則進一步增強[11]。同樣作為人工無機材料的生物活性玻璃，可刺激新骨和血管的生成，Xing等[12]將ICA和脂肪干細胞加載于生物玻璃后植入大鼠顱骨缺損部位，發(fā)現(xiàn)其可明顯增強新骨的形成和新生血管的形成。

磷酸鈣是常用的骨組織工程支架材料之一。 Yu等[13]將ICA植入磷酸鈣骨水泥(calcium phosphate cement，CPC)支架上，并應用于去卵巢大鼠的顱骨骨缺損，結果表明骨生成量和新生血管數明顯大于單純CPC，同時發(fā)現(xiàn)ICA呈緩慢的線性釋放。對于嚴重感染的骨缺損，同時修復骨缺損和控制感染是臨床治療中棘手的問題。Huang等[14]通過使用萬古霉素(VA)、ICA、可注射CPC組成雙重藥物釋放支架系統(tǒng)ICA-VA-CPC，該系統(tǒng)有著抗炎和骨誘導雙重特性，對藥物的控釋時間約為30 d，可明顯改善板層骨的形成和骨髓腔的再通。仿生磷酸鈣(biomimetic calcium phosphate，BioCaP)作為搭載ICA的載體也可以實現(xiàn)對ICA的持續(xù)釋放，并且可以增強體外培養(yǎng)的成骨細胞的增殖以及成骨性分化[15]。3D打印技術制備的聚磷酸鈣/淫羊藿苷支架和β-磷酸鈣/淫羊藿苷支架，對骨缺損的修復亦有明顯促進作用，同時支架具有良好的骨誘導性和生物相容性，其降解產物多為鈣、磷離子和鈣鹽、磷酸鹽，不引起局部反應[16-17]。

2.2 負載ICA的有機高分子材料

聚羥基丁酸酯-羥基戊酸酯[poly(hydroxybutyrate-hydroxypentanoate)，PHBV]作為一種由大分子聚合物合成的可降解生物支架材料，具有良好的藥物輸送特性和藥物控釋能力，Xia等[18]將ICA與PHBV復合制成新型ICA多孔PHBV支架(IDPPSs)，實現(xiàn)了對ICA的控釋，同時體外細胞實驗表明，IDPPSs可顯著促進MG-63成骨細胞的生長。鐘秀霞等[19]指出，聚已內酯支架作為一種細胞支架，具有穩(wěn)定的三維結構及良好的生物相容性和降解性，ICA/骨膜細胞/聚已內酯支架材料完整地保留了ICA的生物活性，因其同時攜帶骨膜細胞和ICA，故有良好的骨缺損修復效果。

3 負載ICA人工復合材料

隨著對骨組織工程支架材料研究的日趨深入，學者們發(fā)現(xiàn)單一的支架材料很難滿足支架材料的所有理想特性，而復合支架由幾種支架材料復合而成，各種材料特性互補，確保了支架材料整體的優(yōu)越性能。目前復合材料主要包括有機材料與無機材料組成的復合材料、天然生物材料與無機材料組成的復合材料等。

3.1 ICA復合有機-無機材料

聚乳酸-羥基乙酸/磷酸鈣/淫羊藿苷(PLGA/TCP/ICA，PTI)支架是具有仿生結構的一種支架材料，PTI支架的結構類似于松質骨，具有良好的骨傳導性，其生物相容性和降解率適合細胞的生長和存活，植入實驗動物體內發(fā)現(xiàn)其可以明顯加快骨缺損修復[20]。Liu等[21]在通過硅質介孔泡沫/聚3-羥基丁酸-co-3-羥基己酸酯/ICA/骨髓間充質干細胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)復合支架修復大鼠顱骨骨缺損的研究發(fā)現(xiàn)，該復合體可顯著延長ICA釋放時間，與未加載ICA的復合體相比，該復合體的BMSCs數量更多，骨再生效果更顯著。Yuan等[22]首先將ICA固定于Mg/MgCO3顆粒，然后將顆粒植入聚丙交酯-乙醇酸共聚物[poly(lactide-co-glycolide)，PLGA]中而制得PMI微球支架，并指出該支架具有中藥活性成分和生物活性離子雙重控釋的效果， ICA與Mg2+表現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應，且中等劑量的ICA和Mg2+對骨形成的作用最強。

納米羥基磷灰石/聚乳酸(nHA/PLGA)復合支架是一種高分子支架材料，具有優(yōu)良的生物相容性、降解性以及超強的吸附與滲透能力(nHA/PLGA)。王德欣等[23]將不同濃度的ICA加載于nHA/PLGA上，發(fā)現(xiàn)其促進BMSCs增殖和分化活性具有濃度依賴性。另一項研究發(fā)現(xiàn)ICA/nHA/PLGA復合支架對成骨細胞的增殖無顯著影響，但可以提高堿性磷酸酶活性和促進成骨細胞的成骨性分化[24]。亦有研究報道指出，ICA/HA/PLGA復合支架具有良好的機械性能，可為細胞黏附提供一定支持，同時具有良好的成骨作用和生物相容性[25]。PLGA/磷酸三鈣(tricalcium phosphate，TCP)也是復合支架材料中較為常見的一種，研究顯示ICA/PLGA/TCP可完整保留ICA的活性成分，其結構中的微孔隙供成骨相關細胞及因子通過，同時該支架的骨整合性能十分優(yōu)越[26]。

3.2 ICA復合天然-無機材料

ICA/HA/藻酸鹽(IC/HAA)多孔復合支架作為藥物緩釋支架，具有高孔隙率。研究發(fā)現(xiàn)負載ICA后支架的宏觀/微觀結構以及力學性能未發(fā)生改變，且無細胞毒性，體內實驗表明IC/HAA可顯著上調成骨基因和Wnt信號通路相關基因的表達水平，同時抑制破骨細胞的骨吸收活性，并促進原位骨再生[27]。絲素蛋白(silk fibroin，SF)與介孔分子篩(SBA15)組成的微/細觀多孔支架(SF/SBA15)同樣被應用于骨再生，SF/SBA15支架具有良好的生物活性和生物相容性，對ICA和BMP2的局部緩慢遞送促進了骨組織再生。研究還發(fā)現(xiàn)，ICA和BMP只有在合適的釋放速率和多個遞送條件下才能更大程度地發(fā)揮成骨系統(tǒng)作用[28]。殼聚糖(chitosan，CS)與HA組成三維支架體系(CSHA)具有高孔隙率和力學性能優(yōu)越的特點，負載ICA后對ICA的物理和生物性質完全保留，同時引入ICA也沒有顯著改變CSHA的形態(tài)、孔隙率和機械強度，同時CSHA對ICA具有良好的控釋性能，ICA的續(xù)釋放時間長達90 d以上，可持續(xù)有效地促進BMSCs的成骨分化以及進一步的鈣化[29-30]。

3.3 新型負載ICA相關復合材料

ICA/凹凸棒石/Ⅰ型膠原/聚已內酯(ICA/ATP/ColⅠ/PCL)通過一定比例交聯(lián)形成復合支架，較高的孔隙率可以攜帶較多的ICA，ICA/ATP/ColⅠ/PCL具有良好的生物相容性和成骨活性，可發(fā)揮良好的骨再生和骨修復效果[31]。Luo[32]將ICA加載于中間層含有聚多巴胺(polydopamine，PDA)的靜電紡絲聚丙交酯(PLLA)纖維膜中，然后將成骨細胞接種于纖維膜上，發(fā)現(xiàn)纖維膜對成骨細胞的黏附、增殖以及成骨性分化更為有利。同時發(fā)現(xiàn)低濃度ICA更有利于成骨細胞的黏附和增殖，而高濃度的ICA可顯著促進成骨細胞分化，增加堿性磷酸酶活性以及鈣沉積。李根等[33-34]將ICA改性得到ICA-NH2，然后將ICA-NH2與CS進行共價結合，之后采用兩相混合急速冷凍干燥成型技術將結合產物與PHBV結合形成ICA-NH2-CS/PHBV支架，結果表明這種以共價結合的方式對ICA的緩釋作用良好，能夠有效誘導新骨形成。

4 結語

如何修復大面積骨缺損一直是國內外學者的研究重點，在此過程中大量的生物材料相繼被開發(fā)與應用，由于單純的生物材料在治療骨缺損中很難獲得滿意效果，故近年來多數研究指向復合生物材料，包括將種子細胞、細胞因子或中藥有效活性成分加載于生物材料中，以更好地促進骨缺損的修復。ICA目前已經被證明可以通過促進骨髓間充質干細胞、脂肪干細胞的增殖與成骨性分化來促進骨折愈合及骨缺損的修復，故將ICA加載于生物材料中或含種子細胞和生長因子的生物材料中以應用于骨缺損的治療是一種很好的研究策略，但同時另一個挑戰(zhàn)是如何開發(fā)性能優(yōu)良的生物材料。根據本文對負載ICA的骨組織工程支架材料的歸納發(fā)現(xiàn)，天然生物材料具有良好的生物相容性和生物降解率，但其生物力學性能和孔隙率不如人工材料，而人工材料的降解率和生物相容性亦不如天然生物材料。而人工復合材料通過性能互補對多種材料進行組合，優(yōu)化了支架材料的各方面特性，同時對ICA的控釋達到相對理想的狀態(tài)，其可能成為未來研究的最佳選擇。

目前，雖然對負載ICA的支架材料在實驗研究中已取得一些成果，但其臨床療效尚不能確定。對于研發(fā)負載ICA的支架材料，首先考慮支架材料本身的生物物理性能，理想的支架材料必須具有與骨重建速度相對應的受控的生物降解速率，并且需要足夠的機械應力為重建提供一定的支持，同時具備良好的生物相容性和骨傳導性以及可塑性等優(yōu)勢。此外，支架材料降解產物應既可參與或促進骨組織再生，又可減輕降解產物的細胞毒效應。負載ICA后則需要考慮其所能負載ICA的量-效關系以及ICA釋放的時效差異與骨代謝之間的動態(tài)平衡。此外，還應關注負載ICA支架材料與植入區(qū)新生宿主組織重塑過程中強度的差異性，及其降解產物對組織局部環(huán)境穩(wěn)態(tài)的影響?？傊?，負載ICA支架材料具備局部控釋效應、機械性能穩(wěn)定、安全性強等優(yōu)勢，完全避免了傳統(tǒng)口服ICA首過消除效應、低生物利用度等缺陷，同時促進了中藥有效活性成分輔助支架材料在骨缺損中的深入研發(fā)與應用，提高了骨愈合速率，有效縮短了骨愈合周期，值得臨床進一步推廣使用。