局部载药缓释系统在脊柱结核中应用的研究进展

摘    要  

局部载药缓释系统作为当前脊柱结核治疗新方式，已在实验阶段被发现可抑制局部结核分枝杆菌生长，利于病灶恢复，为治疗脊柱结核骨缺损提供了有效手段。现笔者对目前研究中常用的负载方式和载体材料进行综述，深入分析局部载药缓释系统作为一种新型给药策略在脊柱结核骨缺损修复中的应用价值，并对现有研究存在的挑战进行总结，以为载药缓释技术在脊柱结核外科治疗中的应用和今后的研究提供依据和方向。

关键词：

药物释放系统；结核，脊柱；综述文献(主题)

脊柱结核发展后期常见脊柱结构损伤，影响脊柱稳定性，并伴有脊髓或神经功能损伤等严重并发症。外科治疗通常在规范抗结核治疗的基础上进行病灶的清除及骨缺损的修复重建，并通过术后规范的抗结核药物治疗来保证手术效果及防止术后复发。但术中病灶区域放置的抗结核药物容易被血液稀释或经其他途径损失，出现局部药物浓度由高迅速降低的现象，治疗效果不佳。由于骨结核病灶中常形成干酪样坏死和死骨碎片，使得病灶区域血液供应减少，难以保证全身给药在坏死病灶处形成有效药物浓度，影响治疗效果，加之全身用药发生药物不良反应多，患者依从性差，极易产生耐药。局部载药缓释系统(drug delivery system，DDS)是指以一种或多种材料的人工骨作为载体，将药物负载于该载体上，植入植骨部位，使药物按照预先设计的剂量，在要求的时间范围内以一定的速度在体内缓慢释放的一种新型给药系统，其优势在于可以起到良好的支撑和修复作用，提高病灶局部药物浓度、减少全身药物不良反应。因此，如何制备治疗脊柱结核的长效缓释药物的载体也成为目前研究的热点。笔者就目前局部载药缓释系统研究现状及应用价值进行综述，为将载药缓释技术应用于脊柱结核外科治疗中提供依据和今后的研究方向。

一、脊柱结核外科治疗现状

抗结核药物治疗是脊柱结核治疗的重要支柱，也是脊柱结核的根本，而外科治疗是治疗脊柱结核的另一重要手段。目前，病灶清除、植骨融合和内固定术是开放手术治疗脊柱结核常用的方式，在清除结核病灶、矫正脊柱后凸畸形、缓解脊髓和神经压迫症状、重建椎体稳定性等方面效果明显。同时，在骨缺损部位放置抗结核药物是目前多见的局部治疗方式，但存在药物浓度易被稀释、局部浓度迅速降低、治疗效果不佳的情况。

二、DDS治疗脊柱结核研究现状

抗结核药物是治疗脊柱结核的基础，尽管抗结核新药研发对于遏制结核病流行至关重要，但DDS作为一种新的治疗脊柱结核的方法，在脊柱结核动物模型体内的药物缓释性获得了令人满意的结果，有望实现维持治疗过程中局部药物高浓度和修复重建病灶骨缺损的双重效果。其不仅可以修复术后结核病灶骨缺损，还可以在较长时间内维持局部抗结核药物高浓度，达到更好的杀菌或抑菌效果，并能够减少全身给药对肝肾造成的不良反应。

载药缓释概念在治疗感染性骨缺损方面具有重要意义。常见负载药物为异烟肼、利福平、吡嗪酰胺、莫西沙星等其中1种或2种，但由于目前的研究均处于实验室阶段，以及抗结核药物也对实验动物器官造成了较大的损伤，使得目前多使用单一异烟肼、单一利福平或二者组合，个别实验也有三联用药，但对于何种使用方式的疗效更好还未见相关报道，也难以形成对负载药物使用的统一共识。另外，药物释放治疗结核性骨缺损的相关临床试验也罕见报道。因此，对载体材料和药物负载方式与药物缓释性能之间关系的研究至关重要。

三、常见脊柱结核载药缓释植骨材料及研究现状

结核病灶骨缺损中植入载体材料既可填充缺损骨组织，也可缓慢释放抗结核药物，并通过载体缓慢降解被新生骨组织逐步替代。理想的抗结核药物局部缓释材料应具备以下特点：(1)材料来源充足；(2)良好的力学性能和易塑形性；(3)良好的骨传导性和骨诱导性；(4)良好的生物相容性；(5)稳定可控的降解性。目前，载体材料大致可分为无机材料、高分子材料和天然有机材料3大类。

(一)无机材料

主要包括羟基磷灰石和磷酸钙骨水泥等。

1.羟基磷灰石：是骨骼的主要无机成分，具有良好的生物相容性和骨传导性，但其机械性能较差，降解速度慢，很难作为骨组织工程材料单独应用，通常在添加特定的增强材料变为坚韧的复合材料后被广泛应用。吴鹏等将制备的载异烟肼和利福平的纳米羟基磷灰石-半水硫酸钙人工骨植入新西兰兔脊柱结核模型病灶，发现载药人工骨在兔脊柱结核病灶局部缓释治疗的同时还能够起到良好的骨融合及骨修复重建的作用。刘昌昊等以纳米级羟基磷灰石为载体，制备含PA-824、莫西沙星和吡嗪酰胺的骨形态发生蛋白缓释微球3D打印人工骨，将其与骨髓间充质干细胞共培养，证实该人工骨具有独特的空间结构和良好的生物相容性，能促进骨髓间充质干细胞增殖和成骨分化，是一种理想的骨组织工程材料。蔡则成等在兔脊柱结核模型行病灶清除术后置入载异烟肼和利福平的纳米羟基磷灰石-硫酸钙-壳聚糖人工骨，采用高效液相色谱法测定病灶椎体及椎旁肌肉中的异烟肼和利福平的药物浓度，发现药物在局部释放缓慢，第8周时检测到药物浓度降低至低杀菌浓度，说明人工骨在兔脊柱结核模型病灶中可持续、长效地释放抗结核药物。近年来，脊柱结核已成为临床上常见的肺外结核，但抗结核药物治疗周期长，疗效并不理想。Wang等采用溶剂蒸发法制备利福喷丁聚乳酸缓释微球，并与羟基磷灰石/β-柱磷酸三钙复合材料结合得到载药缓释复合物。研究发现复合物在体外药物释放时间较长，对细胞成骨分化没有明显抑制作用。进一步在建立兔脊柱结核病灶缺损模型中使用复合物植入病灶骨缺损，术后6周和12周通过肉眼观察、免疫组化和Nilsson组织学评分均表明，该复合物对缺损组织有较好的修复作用，且实验组兔的血红细胞沉降率和C-反应蛋白均降至正常水平。这提示该复合物填充可能成为治疗脊柱结核较有前途的方法。

2.磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement，CPC)：因其良好的生物相容性、骨传导性、可塑形性，被广泛应用于骨组织替代和修复领域中，已成为成熟的修复骨缺损材料；另外，CPC性质稳定，可缓慢降解，已被认为是骨骼系统理想的药物载体。Liu等研制了一种负载淫羊藿苷的明胶微球CPC复合材料作为载药缓释植入材料，有效促进了骨形成和炎症的缓解。董航等发现载骨碎补总黄酮CPC具有促进骨结核病灶缺损模型大鼠诱导膜成骨的作用。但由于CPC属于无机盐材料，脆性较高，机械强度不足，很少作为脊柱结核骨缺损修复材料，临床应用范围有限。因此，进一步提高CPC的力学性能对于拓宽其临床应用范围非常重要。

磷酸三钙是一种能促进骨愈合的骨缺损移植替代材料。王震以β-磷酸三钙复合材料为支架，负载利福喷丁聚乳酸缓释微球构建复合体，并将复合体应用于兔脊柱结核病灶缺损模型进行植入修复治疗，结果显示出良好的药物治疗及组织修复效果，且复合体在体内药物释放稳定，缓释时间长，对兔成骨分化具有促进作用。

硫酸钙/聚氨基酸作为骨缺损修复材料，植入后具有良好的生物相容性、骨传导性和降解性，其负载的药物可被持续释放。赵增辉等采用原位熔融缩聚法合成硫酸钙/聚氨基酸复合材料，通过兔体内实验证实该材料在动物体内不会引起明显的排异反应，具有良好的组织相容性和生物活性。王骞等建立兔脊柱结核模型，在清除结核病病灶后将载三联抗结核药物的硫酸钙/聚氨基酸人工骨材料植入骨缺损区，检测植骨区域、邻近肌肉及下腔静脉血中的药物浓度，发现抗结核药物均可持续、缓慢释放，局部药物浓度及持续时间均高于全身血液用药的浓度和持续时间。但因硫酸钙降解过快使得该材料存在突释现象。张卓等在兔脊柱结核骨缺损模型病灶中植入载三联抗结核药物硫酸钙/聚氨基酸人工骨，通过植骨融合部位的病灶骨组织病理学及电镜观察发现植骨材料逐渐分解，感染病灶处骨缺损逐步愈合，植骨融合效果满意，提示以其为抗结核药物缓释载体可以有效修复感染性骨缺损。

(二)高分子材料

主要有聚乳酸、聚乙醇酸及聚乳酸/聚乙醇酸复合物(polylactic acid/polyglycolic acid composite， PLGA)等脂肪族聚酯类材料。此类材料是一种无毒、可降解的材料，具有良好的生物相容性和可塑性，已被美国食品药品监督管理局和欧洲食品安全局批准为药物缓释载体材料而广泛应用。邬均等通过乳化-溶剂挥发法制备了可用于持续抑制脊柱结核术后病灶残留结核分枝杆菌的载利福喷丁/PLGA微球，发现其具有良好的控释效果，是一种有效的抗结核缓释剂型。范亚一等采用上述方法制备出形态良好、大小均匀且体外释放性能良好的载莫西沙星/PLGA缓释微球，并将其用于脊柱结核的治疗中。何胤等同样制备出利福平(RFP)/PLGA缓释微球，发现其在突释期内累计释放度达42%，至12d时累计释放度达62%，证实RFP/PLGA微球具有良好的缓释效果，也是一种适宜的抗结核药物载体材料。为了有效解决载三联抗结核药物硫酸钙/聚氨基酸人工骨材料存在的突释现象，研究者在前期研究的基础上以PLGA涂饰载药硫酸钙/聚氨基酸人工骨表面，结果显示，PLGA涂饰可以稳定、有效地控制载药硫酸钙/聚氨基酸人工骨的药物释放，增加释放周期，使病灶局部药物浓度长时间维持在较高的水平，充分发挥了人工骨局部抗结核治疗的作用。Liu等制备了异烟肼(INH)/PLGA和INH/HA微球，利用卡介苗(BCG)菌株建立兔脊柱结核模型，并在缺损模型植入这两种载药缓释微球，发现两种材料均有良好的生物相容性，能够在体内有效缓慢地释放药物，且INH药物浓度持续高于低抑菌浓度。

(三)天然有机材料

主要包括壳聚糖和胶原等天然有机材料，具有良好的生物相容性和可降解性。由于此类材料机械强度差或体内降解速度不受控制等原因，使其应用受到限制，目前多作为载药微球与其他复合材料结合应用。Li等将载药磷酸三钙浸渍壳聚糖和β-甘油磷酸钠溶液制备成封装水凝胶，术中放置于骨缺损部位，结果显示其在初期即可抑制药物突释，并可长期保持药物的释放，提示该技术在体内可有效抑制骨结核病灶的破坏和炎症，优于传统局部载药缓释系统。Chen等通过构建壳聚糖/碳纳米管纳米粒子来控制INH的缓慢释放，延长了释放时间，且释放速率均匀，未观察到突释现象，明显促进了骨结核病灶的愈合；他还将构建纳米负载INH胶原植入物放置于实验小鼠体内，发现其具有更好的药物释放性能、生物降解性和生物相容性。

四、药物负载方式

药物负载方式主要影响放置药物初始突释性及缓慢释放的时间。目前常用的药物负载方法有物理负载和化学负载。化学负载涉及药物与材料表面的官能团发生化学反应，具有反应过程复杂、药物负载过程缓慢、不良反应不可预测等缺点，导致在局部载药缓释系统制备中常采用物理负载方式。常见的物理负载方式包括包埋法、溶液吸附法和直接填充法等。该方法操作简单、易于实施，但存在剂量有限、释放时间短、易发生突释现象的缺点，多应用于PLGA微球负载和水凝胶负载等。

五、抗结核药物缓释系统在脊柱结核治疗中的应用价值

(一)脊柱结核病灶骨缺损重建中骨修复的特殊性

结核病是特异性感染性疾病，感染后以椎体松质骨破坏为主，形成特异性感染性骨缺损，骨质破坏与骨修复同时存在，结核分枝杆菌在病灶区域内大量繁殖，骨缺损部位形成干酪样坏死和死骨碎片，阻碍了新骨形成的修复过程。目前，外科治疗主要以传统抗结核药物治疗为基础进行灶清除植骨融合术，不仅可将病灶死骨、脓肿、肉芽组织、干酪样坏死和窦道等结核病灶组织清除，还可剔除约4mm硬化壁表面、切除多发空洞和病变性骨桥，直至见“亚正常骨”，并以无肉眼可见病灶及硬化壁剔除创面均匀、沙砾样、明显渗血为清除标志，继而在局部喷洒抗结核药物以局部抑制结核分枝杆菌。农家隆等通过比较与非病灶清除术对脊柱结核患者的临床疗效进行me[x]ta分析，结果发现病灶清除术后复发率明显降低，不良反应发生率少，且能明显缩短化疗时间及时间，促进术后快速康复。但临床实际治疗后，脊柱结核术后仍存在1.28%~25%的复发率。病灶骨缺损病理过程是骨破坏和骨修复相互竞争的过程，脊柱结核病灶清除、植骨可以重建脊柱缺损部位稳定性，借以局部载药缓释系统良好的生物相容性和载药能力，能够加速修复脊柱结核骨缺损过程。

(二)载药缓释系统治疗脊柱结核的实验研究

稳定有效的抗结核药物治疗对脊柱结核的临床治疗至关重要。INH和RFP作为一线抗结核药物，不能有效透过病灶区域死骨层，且药物水溶性较好，极易吸收扩散，难以长期维持药物有效灭菌浓度，影响治疗效果。有研究表明，病灶局部低效化疗是疾病迁延不愈的主要原因，脊柱缺损部位稳定性丧失也是治疗失败的重要原因。因此，DDS将药物治疗和手术植骨恰当结合，不仅在病灶局部形成有效的灭菌浓度，抑制结核分枝杆菌生长，还可填补缺损、诱导骨融合，重建脊柱稳定性。而且，随着近年来医用生物材料及科技的不断进步，载药缓释系统在治疗脊柱结核方面潜力突出，有着很大的应用前景。

1.抑菌能力：与传统口服给药模式相比，局部载药大大提高了局部有效药物浓度和灭菌率，利用率更高。朱禧将构建3D打印负载新三联抗结核药物和纳米羟基磷灰石抗结核人工骨植入兔脊柱结核骨缺损模型，通过时间杀菌实验表明其对标准菌株及耐药菌株均具有明显的杀菌能力，且在植入3d后开始表现出明显的抑菌性能，10d后已能抑制结核分枝杆菌的生长和繁殖，有良好的成骨和抗结核性能。范凤龙通过构建兔脊柱结核骨缺损模型行病灶清除术后，在骨缺损处植入制备好的载INH、RFP羟基磷灰石-硫酸钙纳米骨，应用高效液相色谱法检测局部药物浓度，发现药物在相同时点的病椎骨、椎旁肌中的药物浓度相近，且明显高于下腔静脉血中的药物浓度；同时也发现，病椎骨、椎旁肌中的药物浓度至第10周后、下腔静脉血中的药物浓度至第2周后就难以检出药物成分，提示载药纳米骨在兔脊柱结核模型病灶中可持续释放药物，但药物浓度随时间延长逐渐下降，且局部药物浓度及持续时间均高于全身血液中的药物浓度和持续时间。

2.支撑修复作用：有实验研究表明，通过构建脊柱结核骨缺损模型植入载药复合人工骨，术后4周可发现实验组人工骨材料与植骨界面模糊，骨桥形成，骨界面有成骨细胞及骨小梁形成；术后8周发现实验组人工骨材料-骨界面紧密结合，新骨形成，提示复合人工骨在骨缺损区部位起到良好的支撑及修复作用，较传统方式可明显促进结核病灶骨愈合过程。同样，范凤龙的研究也证实了载药人工骨缓释的纳米微粒可透过致密硬化骨，发挥骨骼细胞层面的治疗与修复作用。

3.靶向输送抗结核药物：药物成分无需经肝肾代谢，在提高局部治疗效果的同时可减少全身给药对肝肾及神经系统等造成的负担。

4.其他：一次给药，长时间缓释，可提高患者的治疗依从性。

六、总结

(一)DDS在脊柱结核中的应用研究挑战

脊柱结核病灶中药物浓度低、骨组织切除后骨缺损或骨移植后不愈合是脊柱结核治疗过程中出现的主要问题。传统的口服或静脉注射抗结核药物联合病灶清除术不能产生令人满意的治疗效果，载药缓释技术和骨组织修复技术的结合是骨结核治疗有希望的选择。但目前的研究存在以下挑战：

(1)在目前的研究中，大部分的载体负载单一药物，少数载体负载两种抗结核药物，未发现对含两种以上药物缓释系统的研究。由于载药缓释系统体内药物递送缓慢，多药联用可提高药物效果。因此，多种抗结核药物有效负载是一项具有挑战性的任务。

(2)构建载药量大、可持续释放并受控、骨诱导性良好等特征的DDS具有一定的挑战性，载体材料的选择和系统设计是研究关键。

(3)单一载体材料往往存在机械强度差、降解不可控、药物缓释控制性差等弊端，若能结合使用多种载体材料，则可以弥补以上缺点，提高机械强度和药物缓释速率及降解可控。

(4)目前的DDS未能很好地应用于脊柱结核患者的治疗中，主要是力学性能不能满足脊柱受力的需要和未能解决放置初期药物突释现象的原因。

(二)应用展望

局部载药缓释技术作为一种新型的治疗脊柱结核的方法，可通过微球、支架和水凝胶缓释载体系统等物理方法实现载药，在结核性骨缺损的研究中得到广泛的应用。目前国内外对抗结核新药、DDS及植骨人工骨材料等方面的研究发展迅速，结合它们的特点，制备成既具力学支撑性能，又能在局部稳定释药，还兼具成骨修复的理想植骨材料已成为目前的研究趋势。

随着复合人工骨材料研究的不断发展，未来载药材料修复结核性骨缺损的研究可能集中在以下几个方面：

(1)采用新的制备工艺提高载药支架的机械强度和降解速率。如借助3D打印技术设计具有不同孔径和孔隙率的材料来改变其物理化学性质。

(2)改变载体表面或使载药纳米球/微球吸附到载体上，以提高生物活性因子负载率和缓释药物的效果。

(3)在药物载体上负载两种或两种以上的生物活性因子和抗结核药物，以产生更好的治疗效果，如生长因子组合抗生素修复结核性骨缺损。

综上所述，进一步优化载药方法、支架材料的选择、制备工艺，采用多种载体材料结合多种制备技术方式，制备满足临床需要的载药缓释系统应该是载药技术下一步的发展计划。