崔璟怡，崔亞洲，趙燕

(山東第一醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)科學(xué)學(xué)院，濟(jì)南 250021)

引言

關(guān)節(jié)炎(Arthritis)，尤其是類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis, RA)、骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis, OA)等炎癥性關(guān)節(jié)炎，在全球的發(fā)病率高。目前引發(fā)關(guān)節(jié)炎的具體病因及發(fā)病機(jī)制尚不清楚，且無有效的治愈方法。在關(guān)節(jié)炎的藥物治療中，常用的消炎藥物有顯著的副作用，易增加心臟病和其他心血管疾病的患病風(fēng)險[1]。因此，關(guān)節(jié)炎患者迫切需要新的治療模式以減輕不良反應(yīng)。本文對近年來水凝膠在治療類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎和骨關(guān)節(jié)炎中的應(yīng)用進(jìn)行了歸納整理，并對其未來的研究方向進(jìn)行展望。

1 水凝膠

1.1 水凝膠的發(fā)展

水凝膠是三維、不溶性的交聯(lián)聚合物[2]，能夠在膨脹狀態(tài)下保留大量水和生物液體。按照來源不同，水凝膠可分為天然水凝膠和合成水凝膠，天然水凝膠的來源包括殼聚糖、透明質(zhì)酸、明膠等，合成水凝膠的來源包括聚乙烯醇、丙烯酸、聚丙烯酰胺等。

合成水凝膠經(jīng)過不斷改進(jìn)，已成為一種重要的醫(yī)用生物材料。Wichterle等[3]在1960年首次合成了交聯(lián)的HEMA水凝膠。由于水凝膠植入活體后，無刺激性反應(yīng)，因此，開始被用于眼球摘除后的填充以及制造隱形眼鏡等，并引起廣泛關(guān)注。

傳統(tǒng)合成的水凝膠的力學(xué)性能和靜態(tài)性能差且無法完全復(fù)制細(xì)胞微環(huán)境[4]，已無法滿足應(yīng)用要求。20世紀(jì)70年代初，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了能夠?qū)ν饨绛h(huán)境刺激做出響應(yīng)的刺激響應(yīng)水凝膠，該水凝膠可對許多刺激做出響應(yīng)，包括溫度、壓力、光、磁場等物理刺激；pH、離子濃度等化學(xué)刺激；抗體、酶、細(xì)胞因子等生化刺激，顯著拓展了水凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域。

第三代水凝膠對其交聯(lián)方法進(jìn)行了改進(jìn)，利用物理相互作用(如包合絡(luò)合、立體絡(luò)合、金屬-配體配位和肽相互作用等)的交聯(lián)方式[5]，將物理相互作用與疏水等相互作用結(jié)合起來，改善了水凝膠的力學(xué)特性和釋放特性，使其應(yīng)用得到進(jìn)一步的拓展。

目前，有機(jī)化學(xué)和材料化學(xué)等學(xué)科飛速發(fā)展，納米技術(shù)、聚合物合成等被用于水凝膠的研究，極大地推動了水凝膠領(lǐng)域的發(fā)展，開發(fā)出了具有特殊結(jié)構(gòu)和新功能的“第四代水凝膠”。

1.2 水凝膠在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

水凝膠作為一種具有可控力學(xué)性能和生物相容性的新型生物材料，被廣泛應(yīng)用于組織工程和藥物遞送研究[6-7]，其不僅保留了所含納米粒子的完整結(jié)構(gòu)和功能，還具有工程靈活性。目前，水凝膠被廣泛應(yīng)用于藥物控釋，可將藥物封裝在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中來實現(xiàn)擴(kuò)散、溶脹及控釋。

對于一般藥物遞送機(jī)制，納米顆粒制劑能夠精確調(diào)節(jié)藥物分子的時空分布。在部分疾病治療中，當(dāng)暴露在外部刺激下時，納米顆粒會進(jìn)行物理、化學(xué)變化，使藥物能夠在靶點(diǎn)優(yōu)先釋放。而在各種納米生物材料中，水凝膠由于具有與軟/硬組織相匹配的可調(diào)節(jié)的生物學(xué)、化學(xué)、物理和機(jī)械特性，可以模仿細(xì)胞微環(huán)境的許多方面，因此，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有巨大優(yōu)勢[8]。水凝膠在關(guān)節(jié)炎治療中的應(yīng)用，見圖1。在實際臨床應(yīng)用中，其特性需要與其它物質(zhì)組合來實現(xiàn)其功效[9-10]。

圖1 水凝膠在關(guān)節(jié)炎治療中的應(yīng)用Fig.1 The application of hydrogels in the treatment of arthritis

2 水凝膠在關(guān)節(jié)炎治療中的應(yīng)用

2.1 水凝膠遞送系統(tǒng)與類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎

RA的病理生理學(xué)與免疫系統(tǒng)失衡導(dǎo)致中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞高度浸潤，以及滑膜內(nèi)襯細(xì)胞的增殖有關(guān)?？癸L(fēng)濕藥物(DMARDs)是治療類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的常用藥物[11]，但常規(guī)DMARDs均有一定的副作用，如甲氨蝶呤、來氟米特和柳氮磺胺吡啶會引起胃腸道不適(惡心、腹痛、腹瀉)、皮疹/過敏反應(yīng)、骨髓抑制、肝毒性以及嚴(yán)重感染[12]。為緩解該情況、提高藥效，研究人員改善了藥物遞送系統(tǒng)，建立了幾種聚合物水凝膠[13]作為組織工程中生物活性物質(zhì)甚至細(xì)胞的傳遞載體，其最主要的輸送藥物優(yōu)勢是可以改變藥物藥代動力學(xué)。

Chiang等[11]研究了一種關(guān)節(jié)內(nèi)光熱負(fù)載的可注射的甲基纖維素(MC)聚合物水凝膠載體，包括雷奈酸鍶(SrR)和氯化鈉(NaCl)。通過兩種離子(NaCl、SrR)來調(diào)節(jié)溶膠特性，添加NaCl的水凝膠，其儲能模量G′達(dá)104Pa，損耗模量也強(qiáng)于未添加NaCl的水凝膠，并且凝膠化時間隨SrR濃度的增加而縮短。研究通過創(chuàng)建RA大鼠模型，在關(guān)節(jié)處給藥，并在大鼠膝蓋處進(jìn)行近紅外光譜分析，用體內(nèi)成像系統(tǒng) (IVIS) 測試體內(nèi)藥物釋放。結(jié)果表明，負(fù)載有SrR的凝膠體系在測試的300 h內(nèi)，緩慢持續(xù)釋放SrR，而游離的SrR在100 h以內(nèi)釋放約75%。該凝膠系統(tǒng)通過活性SrR的持續(xù)長期釋放，以抑制RA癥狀。該藥物載體系統(tǒng)保持了細(xì)胞活力，并發(fā)揮了抑制炎癥的功能。

為克服不良反應(yīng)并提高地塞米松 (Dex) 在類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎 (RA) 中的治療效果，Wang等[14]開發(fā)了一種以殼聚糖-甘油-硼砂為載體的關(guān)節(jié)內(nèi)注射地塞米松的溫敏水凝膠 (DLTH)，來緩解炎癥和疼痛。該水凝膠在室溫下為液體，而在37℃時則變成均勻的半固體。該研究發(fā)現(xiàn)DLTH聯(lián)合注射可通過下調(diào)NF-κb通路的轉(zhuǎn)錄活性來阻止滑膜炎癥過程，而關(guān)節(jié)內(nèi)DLTH可能通過調(diào)節(jié)炎癥和疼痛傳導(dǎo)過程來幫助RA疼痛的調(diào)節(jié)。

甲氨蝶呤 (MTX) 是治療類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的一線藥物，然而，因其溶解度和滲透性差、血漿半衰期短及生物利用度低，口服效果并不理想。此外，口服MTX還會導(dǎo)致黏膜潰瘍、食欲不振、肝毒性和腎毒性等[15-16]?；诖耍琎indeel等[17-18]采用水凝膠遞送MTX來治療RA，即采用基于MTX納米膠束的水凝膠應(yīng)用于RA小鼠。此方法相較基于脂質(zhì)的MTX制劑用于透皮給藥，穩(wěn)定性更好。制備的聚己內(nèi)酯-聚乙二醇-聚己內(nèi)酯三嵌段共聚物的臨界膠束濃度(CMC)為0.54 μg/mL，低的CMC表明制備的NMS的穩(wěn)定性越高，以桉樹油為促進(jìn)劑的水凝膠系統(tǒng)的擠出性能測試為95.98±1.12，鋪展度為(6.1±0.25) cm/s，保留時間為(8.15±1.65) h，適用于MTX的載藥。實驗表明，所制備的納米載體系統(tǒng)使MTX在血液循環(huán)中的存在時間更長，擁有較高的生物利用度，比游離MTX更容易在RA關(guān)節(jié)中積累，提高了治療效果。此外，與游離MTX相比，基于MTX納米膠束的水凝膠顯著降低了肝毒性，并且不會激活免疫系統(tǒng)，不僅為治療RA提供了一個穩(wěn)定、安全、有效的方法，還可減輕目前療法的不良反應(yīng)。

2.2 水凝膠藥物與骨關(guān)節(jié)炎

OA的藥物治療在減少疼痛和改善運(yùn)動功能方面有一定的效果，然而，非甾體抗炎藥(NSAID)、曲馬多和其他阿片類藥物有嚴(yán)重的不良反應(yīng)。對于有影像學(xué)證實的中度和重度疼痛OA患者，可以考慮關(guān)節(jié)置換[19]。對于早期或輕度OA的治療主要為飲食、藥物等方面的治療，因此，降低藥物不良反應(yīng)及提高藥物治療效果尤為重要。對此，研究人員考慮將納米材料水凝膠運(yùn)用到OA治療中，為OA的治療提供新策略。此外，軟骨缺損是OA的主要癥狀之一，而水凝膠是一類有彈性的生物材料，表面光滑，含水量高，有利于軟骨再生[20]。

Lei等[21]提出具有自我更新水化層的可注射水凝膠微球(HM)可緩解骨關(guān)節(jié)炎。HM是微米級的球形水凝膠，包含三維交聯(lián)的親水聚合物[22-23]，其具有較好的可注射性和生物相容性，可通過滾動機(jī)制減少滑動界面的摩擦，是一種生物潤滑劑[24]。脂質(zhì)體(Lipo)的平均粒徑為(102.3±35.2) nm，多分散指數(shù)為0.132，具有良好的分散性。對新制備的Lipo@HMS進(jìn)行3 600 s的摩擦試驗，測得其初始摩擦系數(shù)值約為0.04，隨后下降并穩(wěn)定在0.03左右，這表明Lipo@HMS能夠持續(xù)潤滑，在HMs中加入脂質(zhì)體可提高藥物輸送系統(tǒng)的穩(wěn)定性，利于局部藥物輸送和控制藥物釋放[25]。該實驗利用基于透明質(zhì)酸的雷帕霉素脂質(zhì)體(RAPA@Lipo@HMs)，來減少關(guān)節(jié)軟骨的摩擦，該脂質(zhì)體可以通過增加自噬來維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，減輕關(guān)節(jié)磨損并延緩骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展。

Park等[26]進(jìn)行了一種名為Cartistem的干細(xì)胞藥物產(chǎn)品(即一種以培養(yǎng)擴(kuò)增的異基因人臍帶血為來源的間充質(zhì)干細(xì)胞和透明質(zhì)酸水凝膠組成的復(fù)合物)的首次人體臨床試驗。該藥物應(yīng)用在持久的軟骨再生方面效果顯著。目前對于骨關(guān)節(jié)炎中的軟骨損失無有效的再生治療方法，因此，研究人員認(rèn)為基于干細(xì)胞和透明質(zhì)酸水凝膠結(jié)合的藥物產(chǎn)品可提供一種新的治療選擇，以再生骨關(guān)節(jié)炎中磨損的軟骨。該實驗招募了患有Kellgren-Lawrence 3級骨關(guān)節(jié)炎和4級軟骨缺損的患者參加臨床試驗。在患者病變部位應(yīng)用該藥物，患者100 mm VAS步行疼痛評分從移植前的49.1提高到移植后24周的19.3，國際膝關(guān)節(jié)文獻(xiàn)委員會IKDC主觀評分從移植前的39.1提高到移植后24周的63.2(P=0.018)。對患者進(jìn)行7年的隨訪結(jié)果顯示，兩項分?jǐn)?shù)均無明顯的惡化，治療效果得到改善和穩(wěn)定，且在7年中未觀察到明顯的不良反應(yīng)。并且參與者在移植3年進(jìn)行MRI評估，平均相對DR1指數(shù)為1.44，表明再生軟骨中高糖氨基糖(GAG)含量與天然軟骨相當(dāng)。

Zheng等[27]利用甘油磷酸開發(fā)了一種高分子絲素蛋白與聚賴氨酸改性殼聚糖聚合物比例為2∶8的可注射水凝膠，在進(jìn)行的動物模型實驗中，負(fù)載有骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的水凝膠術(shù)后12周的骨體積百分率達(dá)97.87%，證實其能夠?qū)﹃P(guān)節(jié)軟骨進(jìn)行較好的修復(fù)。研究表明，用于骨缺損的水凝膠需要有較高的孔隙率，該水凝膠支架的平均孔徑為(38.45±3.55) μm，能夠為細(xì)胞粘附提供適宜的空間。此外，用于骨修復(fù)的水凝膠還要有較好的生物相容性[28]以及適宜的強(qiáng)度和降解速度[29]等。該水凝膠的壓縮彈性模量約為25 kPa，壓縮強(qiáng)度達(dá)80 kPa以上，能夠保證支架結(jié)構(gòu)的完整性，并為細(xì)胞生長提供初始的機(jī)械支持。該水凝膠在PBS溶液中模擬了在蛋白酶XIV和溶菌酶存在的條件下的降解，8周降解56.3%，具有良好的降解率，可為新細(xì)胞提供足夠的生長空間。

OA易導(dǎo)致軟骨缺損，而一旦出現(xiàn)軟骨缺損，因組織自身的修復(fù)能力有限，且其中無血管、神經(jīng)或淋巴組織存在，則不會明顯地再生[30]。臨床發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞和骨髓基質(zhì)細(xì)胞 (BMSCs)等細(xì)胞可用于修復(fù)自體軟骨細(xì)胞和微骨折手術(shù)中的軟骨缺損，因此，可將細(xì)胞負(fù)載于水凝膠中，然后將其植入病變部位，或者通過向受損部位注入水凝膠以促進(jìn)周圍的干細(xì)胞分化進(jìn)行修復(fù)。基于此，開發(fā)以水凝膠為支架或傳遞因子來包裹軟骨細(xì)胞并促進(jìn)干細(xì)胞的軟骨形成。由于水凝膠復(fù)合物提供的優(yōu)良微環(huán)境，細(xì)胞的快速增殖可使細(xì)胞迅速占據(jù)水凝膠表面，從而通過細(xì)胞間互連誘導(dǎo)水凝膠自下而上自組裝成大孔支架。在無外部刺激的情況下，原位形成3D多孔結(jié)構(gòu)，有助于營養(yǎng)物質(zhì)的有效輸送，從而促進(jìn)干細(xì)胞軟骨形成，可以在體內(nèi)形成肉眼可見的軟骨組織[31]。水凝膠在RA和OA中的應(yīng)用見表1。

表1 水凝膠在治療RA和OA中的應(yīng)用Table 1 Application of hydrogel applications in the treatment of RA and OA

2.3 水凝膠用于骨及軟骨缺損治療

3D打印技術(shù)近年來發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，如制造矯形器械[32]、醫(yī)用支架[33]、建立藥物遞送系統(tǒng)[34]、體外模型[36]等。軟骨缺損在臨床上常通過關(guān)節(jié)置換進(jìn)行治療，但創(chuàng)傷大且費(fèi)用高。水凝膠作為一種重要的醫(yī)用材料，3D打印可以更精確地對其進(jìn)行形態(tài)塑造。因此，在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，尤其是在RA和OA 等疾病及軟骨缺損的治療中。Zhu等[36]利用3D打印機(jī)打印了軟骨細(xì)胞外基質(zhì)和聚乙二醇二丙烯酸酯結(jié)合的PEGDA/ECM水凝膠支架。該支架的壓縮模量為148.2 kPa，在體外PBS溶液中模擬降解，4周支架降解31.6%，具有的機(jī)械特性和降解特性可為軟骨再生提供適宜的空間，并且在該水凝膠支架中加入的厚樸酚，能顯著抑制TNF-α、IL-1β和IL-6的釋放，對軟骨再生具有明顯的促進(jìn)作用，能夠用于RA、OA骨及軟骨缺損的治療。

相比于3D打印，4D打印的物品具有隨時間而變化的性質(zhì)，更具智能化，其打印的生物材料能夠模擬組織動態(tài)特性，具有的動態(tài)變化特性能更好地貼近生物體的變化，有利于RA和OA的骨及軟骨缺損修復(fù)。4D打印能夠通過計算機(jī)編程，并利用材料特性進(jìn)行各種形態(tài)的塑造，未來有希望用于RA和OA患者的個性化治療。Ding等[37]開發(fā)了一種非均相單組分微片水凝膠(MFH)體系，將HMSC干細(xì)胞摻入到水凝膠中，載有HMSC水凝膠棒的“C形”軟骨基本未發(fā)生形變，并且通過定量測定骨細(xì)胞外基質(zhì)成分糖胺聚糖(GAG)的水平發(fā)現(xiàn)，其含量逐漸增加，可證明載有HMSC水凝膠能夠有效地促進(jìn)軟骨再生。

3 討論

對于類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎，其治療藥物具有不同的作用模式，但臨床最常用的傳統(tǒng)抗風(fēng)濕藥物[38]常具有不良反應(yīng)。因此，人們開發(fā)水凝膠相關(guān)的聚合體來改善藥物遞送系統(tǒng)，結(jié)合水凝膠的藥物遞送，可有效改變藥代動力學(xué)，利于臨床上控制藥物的釋放頻率、作用區(qū)域(即釋放地點(diǎn))及延長藥物在血液循環(huán)中的存在時間等。綜合來說，水凝膠藥物遞送系統(tǒng)可在減輕患者痛苦的同時，提高傳統(tǒng)抗風(fēng)濕藥物在治療類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎中的效果，但水凝膠藥物遞送系統(tǒng)的安全性、生物可降解性仍不明確，患者體內(nèi)實驗具有一定的個性化傾向，并且關(guān)于其pH敏感性的相關(guān)研究也較少。

此外，在骨關(guān)節(jié)炎治療中，水凝膠作為生物潤滑劑，可用來修復(fù)軟骨缺損，但其在臨床使用中還存在如何為患者選擇最適合的藥物，以及水凝膠生物材料如何與軟骨更好地結(jié)合等問題。

4 總結(jié)

隨著醫(yī)學(xué)以及生物材料技術(shù)的發(fā)展，水凝膠納米載體系統(tǒng)未來的研究工作可能著重于開發(fā)與其它生物材料組成的復(fù)合體作為藥物載體，達(dá)到既可降低藥物本身的不良反應(yīng)，又可更加精確地控制藥物運(yùn)送到指定病變區(qū)域，并使藥物釋放的速度可控，甚至可以根據(jù)治療效果自發(fā)地改變藥物的釋放速度，以實現(xiàn)個性化精準(zhǔn)治療。此外，水凝膠因具有類似軟骨組織的特征，也被開發(fā)并應(yīng)用于體外或體內(nèi)修復(fù)軟骨缺損。后續(xù)研究可能更加偏向于個性化治療與精準(zhǔn)醫(yī)療，實現(xiàn)根據(jù)患者不同受累位置、程度，或者其它病變情況定制個性化水凝膠材料，實施精準(zhǔn)治療，并取得更好的治療效果。