匡英杰，張 玥，楊純旭，程志新

慢性肢體缺血（chronic limb-threatening ischemia，CLTI） 是外周動脈疾病 （peripheral artery disease，PAD）的終末期，由于動脈嚴(yán)重堵塞導(dǎo)致血流無法到達(dá)肢體末端所致，可能引起患者劇烈疼痛、生存質(zhì)量下降，甚至截肢或死亡[1，2]。 目前治療上首選使用手術(shù)方式重建肢體血液運(yùn)行，同時配合藥物治療。 研究表明，傳統(tǒng)血液運(yùn)行重建手術(shù)有嚴(yán)格的納入標(biāo)準(zhǔn)和適應(yīng)證，高達(dá)30%的CLTI 患者無法行手術(shù)治療，且術(shù)后患者截肢率高[3，4]。藥物治療可以在一定程度上改善遠(yuǎn)端肢體灌注，但其療效在已開展的臨床試驗(yàn)中并未得出一致的結(jié)論[5～7]。 因此，有必要開發(fā)新的治療手段作為當(dāng)前主流治療方案的替代或補(bǔ)充。

治療性血管新生（therapeutic angiogenesis，TA）是指將促血管生成物通過多種方式轉(zhuǎn)入缺血組織中，改善局部血液供應(yīng)[8]。 目前，許多研究已經(jīng)將TA 作為研究思路，并嘗試將生長因子、干細(xì)胞和其他生物活性分子輸送到缺血組織中[9]。然而，在維持分子或細(xì)胞活性、精準(zhǔn)遞送到靶器官、實(shí)現(xiàn)藥物可控釋放等方面，仍有許多難點(diǎn)需要解決[10]。生物材料的應(yīng)用為解決這些難點(diǎn)提供了很好的方案。

1 生物材料

生物材料是指與生物系統(tǒng)交互以評估、 治療、增強(qiáng)或替代身體的任何組織、器官或功能的材料[11]。 其來源廣泛，種類多樣。 常用的生物材料按照來源可以分為合成和天然生物材料，包括海藻酸鹽、殼聚糖、葡聚糖、巖藻多糖等多糖，聚乙二醇、乳酸-乙醇酸共聚物、 人工基底膜等聚合物， 多來源的細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）、血凝塊等細(xì)胞支架[12～14]。包含聚合物成分的生物材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上非常靈活，由ECM 組成的生物材料可以增強(qiáng)細(xì)胞活性[15]。因此，在CLTI 的治療中， 生物材料可以作為載體運(yùn)載活性物質(zhì)輔助實(shí)現(xiàn)治療目的， 也可以表現(xiàn)出直接治療作用[16]。

2 生物材料作為藥物載體

由于輸注到缺血部位的生長因子、細(xì)胞、核酸或外泌體會在短暫時間內(nèi)被清除，不能持續(xù)作用，而全身給藥可能會導(dǎo)致藥物在肺、肝等不需要的臟器中積累[17，18]。 將生物材料作為藥物載體可以將藥物在合適的時間中運(yùn)載到特定的部位。 其功能主要有緩釋功能、靶向功能、響應(yīng)功能等。

2.1 具有緩釋功能的藥物載體

生物材料與藥物結(jié)合起緩釋功能，可以維持一定時間內(nèi)缺血部位的血藥濃度，保障其生物活性，從而誘導(dǎo)血管新生，改善局部缺血情況[17]。 此類藥物載體的效果已經(jīng)在動物實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)，其中與生長因子相關(guān)的研究開展較多。Zhang ZD 等[19]將載有血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的葡聚糖微粒包裹到聚乳酸-羥基乙酸微球中，在大鼠缺血后肢模型中誘導(dǎo)血管新生，觀察到實(shí)驗(yàn)組動物模型的血管密度顯著高于對照組， 并可保證在28 d 內(nèi)的藥物濃度。 Li C 等[20]制備了一種載有VEGF 的熱敏透明質(zhì)酸水凝膠， 可以顯著延長VEGF 的釋放時間，增強(qiáng)大鼠模型中缺血肌肉的局部血流，提高大鼠的跑步能力。 Park MJ 等[21]制備了一種載有重組人VEGF的冷凍凝膠微粒，可以通過靜電作用使得VEGF 持續(xù)釋放30 d， 將該微粒注射到后肢缺血小鼠模型中，觀察到新血管的形成和組織壞死的減少。

除與生長因子相結(jié)合外，載有核酸、干細(xì)胞、外泌體等活性物質(zhì)的緩釋功能生物材料也陸續(xù)在開發(fā)，并在臨床前試驗(yàn)中展現(xiàn)出了良好的性能。基因治療相較于直接應(yīng)用生長因子，具有成本低廉、半衰期更長的優(yōu)勢[22]。 Gui L 等[23]設(shè)計(jì)了一種基于納米顆粒的質(zhì)粒遞送系統(tǒng)， 能將質(zhì)粒的體內(nèi)濃度維持時間延長3 倍，并可在小鼠模型中改善缺血后肢的高氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，促進(jìn)血管生成和肌肉修復(fù)。 干細(xì)胞被認(rèn)為可以在缺血部位的修復(fù)中發(fā)揮重要作用。 Hong Y 等[24]制備了一種基于聚谷氨酸的多孔水凝膠，可以在后肢缺血小鼠機(jī)體內(nèi)提高脂肪來源干細(xì)胞的存活率，保全了小鼠缺血后肢，在21 d 內(nèi)幾乎沒有發(fā)生壞死，且操作便利。外泌體可以促進(jìn)血管、神經(jīng)和骨再生，減少傷口愈合時間，但它在體內(nèi)的清除速率較快[25]。 Wang C等[26]制備了一種水凝膠，能持續(xù)釋放外泌體長達(dá)15 d，從而對缺血肢體產(chǎn)生長效作用。

2.2 具有靶向功能的藥物載體

具有靶向功能的藥物載體可以通過響應(yīng)磁力引導(dǎo)、尋找細(xì)胞靶標(biāo)等方式，運(yùn)載藥物到達(dá)指定部位，從而減少毒副作用、提高治療效果[27]。 Kang HJ 等[28]將含有氧化鐵的納米顆粒導(dǎo)入內(nèi)皮祖細(xì)胞（endothelial progenitor cells，EPC）內(nèi)，注射EPC 至缺血小鼠模型中，在外部通過磁鐵引導(dǎo)，增強(qiáng)了EPC 在模型中的遷移，改善了缺血肢體的血液灌注。 Daya R 等[29]合成了以姜黃素為血管生成劑的磁性納米顆粒，可以通過磁性引導(dǎo)促進(jìn)血管生成。 除磁力引導(dǎo)外，通過在生物材料中添加靶向配體或黏附配體，可以與受體結(jié)合使藥物定向聚集，目前已在促創(chuàng)面愈合的炎性細(xì)胞膜上發(fā)現(xiàn)了特定受體，因此可以期待該類材料在CLTI 的治療過程中的應(yīng)用[30，31]。

2.3 具有響應(yīng)功能的藥物載體

生物材料可以在內(nèi)源或外源刺激下發(fā)生某些性質(zhì)的改變，例如直接在目標(biāo)部位按一定劑量釋放治療藥物，從而減少對附近健康組織的損傷。

2.3.1 具有內(nèi)源響應(yīng)功能的藥物載體

具有內(nèi)源響應(yīng)功能的藥物載體隨著機(jī)體內(nèi)部微環(huán)境條件的變化，本身結(jié)構(gòu)、性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)改變，從而產(chǎn)生效應(yīng)[32]。 響應(yīng)條件包括pH、溫度、酶、還原性物質(zhì)等。 pH 和溫度是目前被研究最多的響應(yīng)條件。 隨CLTI 的進(jìn)展， 缺血部位的pH 與溫度呈下降趨勢[33]。針對缺血部位的溫度特性，Wang R 等[34]制備了一種基于甲基纖維素-鹽體系包封干細(xì)胞的溫度響應(yīng)水凝膠，實(shí)現(xiàn)了溫控釋放干細(xì)胞，有效抑制下肢缺血小鼠的纖維化和肌肉萎縮，加速血流恢復(fù)，促進(jìn)血管生成。Zhang T 等[35]在pH 和溫度雙響應(yīng)水凝膠中封裝納米粒子，制備了一種智能納米給藥平臺，可以隨pH值和溫度的降低，逐漸提高藥物釋放速率，在缺血小鼠肢體中保護(hù)肌肉細(xì)胞，促進(jìn)血管生成。pH 的敏感性極高，其降低甚至先于動脈血流變化[36]。 因此似乎可以期待具有對pH 響應(yīng)功能的生物材料在CLTI 預(yù)防中的應(yīng)用。 此外，具有對酶響應(yīng)功能的藥物載體也在被研究之中。 例如一氧化氮（nitric oxide，NO）具有刺激血管生成的作用，但遠(yuǎn)離其產(chǎn)生源時，會被迅速代謝清除。 針對這一特性，Kang M 等[37]制作了一種“NO 明膠”，可以在與轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶交聯(lián)反應(yīng)后即時釋放NO，并可在一定時間內(nèi)保持釋放以持續(xù)促進(jìn)血管生成。

2.3.2 具有外源響應(yīng)功能的藥物載體

具有外源響應(yīng)功能的藥物載體通過外部干預(yù)引起的性質(zhì)改變產(chǎn)生作用， 外部干預(yù)包括超聲干預(yù)、磁控制、電刺激等。 Jin H 等[38]研發(fā)了一種基于水凝膠的生長因子輸送系統(tǒng)，可以通過聚焦超聲控制生長因子的釋放，在后肢缺血的小鼠模型中表現(xiàn)出了增強(qiáng)血流灌注、促進(jìn)血管生成和減少組織壞死的效果。 常規(guī)應(yīng)用多普勒超聲評估肢體缺血情況已被廣泛認(rèn)可，因此，可以期待對超聲具有響應(yīng)功能的生物材料在超聲檢查過程中精準(zhǔn)釋放生物活性分子，從而定點(diǎn)定量產(chǎn)生治療效果[39]。 具有磁響應(yīng)的生物材料既可以通過藥物載體的靶向作用定向運(yùn)載藥物，也可在快速變化的交感磁場作用下產(chǎn)生電刺激。 肌肉組織長期缺血缺氧，會導(dǎo)致肌肉萎縮和功能喪失，電刺激肌肉組織可以增加肌肉血流灌注、促進(jìn)肌肉生長及功能恢復(fù)。 因此，磁性生物材料不僅可以通過可控釋放運(yùn)載藥物產(chǎn)生治療作用，且有理由相信，其產(chǎn)生的電刺激可以促進(jìn)肢體功能恢復(fù)，從而改善患者生存質(zhì)量。

2.4 生物材料的復(fù)合使用

生物材料的復(fù)合使用主要表現(xiàn)在3 種方式。一是可以通過生物材料的響應(yīng)功能，針對缺血處的微環(huán)境變化，按照一定次序智能釋放載有藥物[35]。 二是生物材料可以與藥物產(chǎn)生協(xié)同作用。 水凝膠可以通過旁分泌作用增強(qiáng)細(xì)胞活力，并促進(jìn)干細(xì)胞增殖分化的能力[24，40]。 Huang A 等[40]設(shè)計(jì)了一種水凝膠，不僅通過增強(qiáng)細(xì)胞活力以保證干細(xì)胞的存活率，還可以直接促進(jìn)血管生成因子的分泌，增強(qiáng)治療作用。 三是通過同時輸注兩種或多種藥物到達(dá)病灶， 使其發(fā)揮協(xié)同作用。如Zhang K 等[41]通過同時移植釋放NO 的殼聚糖水凝膠和間充質(zhì)干細(xì)胞 （mesenchymal stem cells，MSC）到小鼠模型中， 得益于低濃度的NO 對MSC 的保護(hù)作用，使得MSC 持續(xù)作用于缺血部位，從而產(chǎn)生優(yōu)異的治療效果。

3 生物材料的治療作用

某些生物材料已經(jīng)展示出直接或間接地促進(jìn)血管生成、 血液運(yùn)行重建來幫助修復(fù)缺血組織的能力，單獨(dú)使用生物材料不僅可以改善外周血管缺血情況，還可能是一個更經(jīng)濟(jì)的選擇[42]。

在大鼠后肢缺血模型中注射組織特異性骨骼肌ECM 水凝膠和人臍帶來源的ECM 水凝膠，Ungerleider JL 等[43]發(fā)現(xiàn)缺血后肢的血液灌注得到顯著改善，這似乎表明單獨(dú)注射ECM 水凝膠可以作為治療PAD 患者的潛在有效療法。 ECM 的促血管生成作用與組成它的彈性蛋白有關(guān)[44]，但彈性蛋白存在天然不溶性和來源受限兩大不足。 Marsico G 等[45]改造彈性蛋白， 構(gòu)建彈性蛋白重組體 （elastin-like recombinamers，ELR），注射到缺血小鼠模型中，觀察到小動脈密度和小動脈橫截面增加， 認(rèn)為ELR 可以誘導(dǎo)側(cè)支動脈的形成及重塑現(xiàn)有的動脈血管。細(xì)胞衍生基質(zhì)的治療潛力也已被證實(shí)。 Ha SS 等[46]制備了人成纖維細(xì)胞衍生基質(zhì)并將其轉(zhuǎn)化為納米級懸浮制劑，可以在體外促進(jìn)單核細(xì)胞分泌VEGF，在動物模型中可以促進(jìn)心血管生成與促進(jìn)傷口愈合。有研究進(jìn)一步探討了不同濃度的ECM 水凝膠在改善缺血肢體血液灌注效果方面的差異[47]。 除了直接起作用外，某些生物材料可以作用于機(jī)體原有的途徑，間接改善缺血情況。 例如McNeill B 等[48]發(fā)現(xiàn)注射Ⅰ型膠原蛋白生物材料可以使人外周血CD34+數(shù)量擴(kuò)增和功能增強(qiáng)， 通過CD34+細(xì)胞途徑間接促進(jìn)血管生成。 對現(xiàn)有的生物材料進(jìn)行改造，可以賦予其促血管生成作用。例如在心臟來源的細(xì)胞外基質(zhì)（cardiac extracellular matrix，cECM）水凝膠中，并沒有觀察到促進(jìn)血管生成的效果。Shaik R 等[49]將纖維蛋白摻入cECM 水凝膠中制成重組體，在體外測試中該重組體表現(xiàn)出了促血管生成的功能。

4 結(jié)論

CLTI 是一種危及肢體和生命的疾病， 治療效果和疾病預(yù)后不夠理想。 基于TA 的理論基礎(chǔ)，生物材料的研究與發(fā)展彌補(bǔ)了當(dāng)前干預(yù)措施治療CLTI 的不足之處。 作為藥物載體，生物材料可以穩(wěn)定機(jī)體內(nèi)一定時間內(nèi)特定部位的藥物濃度，輔助藥物發(fā)揮治療效果，并可以根據(jù)微環(huán)境的變化做出響應(yīng)。 作為直接起效成分， 生物材料可以直接作用于機(jī)體的缺血部位，誘導(dǎo)血管新生，改善血液灌注與促進(jìn)創(chuàng)面愈合。

盡管近年開展的動物實(shí)驗(yàn)表明生物材料結(jié)合藥物治療取得了很好的效果，但是相關(guān)的臨床試驗(yàn)未能達(dá)到預(yù)期。 這可能與CLTI 在臨床中的高度復(fù)雜性有關(guān)。 血液運(yùn)行改善是改變CLTI 結(jié)局的重要因素，同時缺血肢體的創(chuàng)面情況、患者的合并癥、藥物使用、生活方式、營養(yǎng)狀況等因素均可對CLTI 的結(jié)局造成影響[50，51]。 目前的研究大多基于TA 理論，以圍繞改善肢體血液運(yùn)行的方向開展，并未重視生物材料對其他危險(xiǎn)因素的作用。

即便如此，無論是生物材料的復(fù)合使用所表現(xiàn)出的多方面、多層次的干預(yù)能力，還是通過對生物材料的改造賦予其新特性，均在CLTI 的治療中展現(xiàn)出了極大的可能性。 將不同的功能單元結(jié)合，并通過改造生物材料添加響應(yīng)條件，即可組成“智能化”的藥物遞送系統(tǒng)，有望實(shí)現(xiàn)在治療中使藥物系統(tǒng)隨理化環(huán)境的改變從血液運(yùn)行、炎癥、營養(yǎng)等多方面同時發(fā)揮作用，達(dá)到治療目的。因此，在后續(xù)的研究中，應(yīng)當(dāng)多方面挖掘生物材料的潛力，以獲得更符合預(yù)期的結(jié)果。