生物活性敷料的研究進(jìn)展
2018-01-17 13:42溫小強(qiáng)秦海燕陳婉瑩張連波
中國實(shí)驗(yàn)診斷學(xué) 2018年12期
溫小強(qiáng)，秦海燕,陳婉瑩,張連波
(吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院 整形外科，吉林 長春130033)
創(chuàng)傷愈合過程復(fù)雜而緩慢，并且極易受到感染、血管化不良、相關(guān)組織疾病以及患者心理等多種因素的影響，導(dǎo)致創(chuàng)面愈合不良，慢性創(chuàng)面形成，給國家財(cái)政帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。近年來傷口敷料的開發(fā)和臨床應(yīng)用給慢性創(chuàng)面的治療帶來了一定的促進(jìn)作用。但隨著肥胖癥和2型糖尿病的發(fā)病率不斷上升、人口老齡化的出現(xiàn)，慢性傷口的管理仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)[1]。因此，尋找和開發(fā)高效而經(jīng)濟(jì)的傷口敷料是現(xiàn)在各國最為迫切的需求。
傷口敷料按其發(fā)展進(jìn)程主要分為傳統(tǒng)敷料、皮膚組織替代物、人工敷料、生物活性敷料等[2]。傳統(tǒng)敷料包括紗布及其復(fù)合材料，雖然其具有較強(qiáng)吸收能力，但同時(shí)具有更換敷料時(shí)易損壞新生肉芽組織或上皮、透氣性差、滲出物易引發(fā)細(xì)菌感染等多種缺點(diǎn)。皮膚組織替代物可分為同種異體移植物、組織衍生物和異種移植物。因免疫排斥反應(yīng)、感染和疾病傳播風(fēng)險(xiǎn)，臨床應(yīng)用較少。人工敷料可分為凝膠、泡沫、薄膜、復(fù)合材料等[2]，由合成聚合物和/或生物聚合物制備而成。與普通人工敷料相比，包含生物聚合物的人工輔料更符合創(chuàng)面愈合的需求，稱為生物活性敷料。
生物活性敷料是20世紀(jì)60年代初期在winter提出的創(chuàng)傷修復(fù)“濕潤愈合”理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型創(chuàng)面修復(fù)及保護(hù)敷料[3]。與傳統(tǒng)敷料相比，因其具有生物相容性，生物降解性和與細(xì)胞外基質(zhì)大分子的相似性，因此更接近于理想的傷口敷料，也是目前研究的熱點(diǎn)及未來敷料發(fā)展的方向。本文將重點(diǎn)針對生物活性輔料其所含主要生物活性成分的研究進(jìn)展進(jìn)行以下綜述。
1 海藻酸及海藻酸鹽類敷料
海藻酸是一種從褐藻(褐藻科)、海帶等中提取的天然多糖，易于獲得。通過將海藻酸溶液與鈉、鈣、鎂、鋇等離子交聯(lián)可制備藻酸鹽敷料。此類輔料可加工成凝膠狀、泡沫或以纖維敷料形式的凍干多孔片材[4]。海藻酸鈉的免疫原性與M-block含量的相關(guān)，通過適當(dāng)純化可減輕其免疫原性反應(yīng)[5]。藻酸鹽傷口敷料的療效受多種因素影響，如其他聚合物與海藻酸鈉的比例、所使用的連接劑種類、交聯(lián)的時(shí)間、所用敷料的性質(zhì)、納米粒子和抗菌劑的摻入等。為了克服藻酸鹽較差的機(jī)械穩(wěn)定性，Saarai等將海藻酸鈉和明膠以不同比例組合成水凝膠，并發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉和明膠的比例影響水凝膠的形態(tài)。藻酸鹽比例較多的組合形成的水凝膠表現(xiàn)為液滴形態(tài)，而明膠含量較多的組合水凝膠則表現(xiàn)為纖維形態(tài)[6]；水凝膠的吸水率隨著氯化鈣或戊二醛交聯(lián)劑濃度的增加而降低，機(jī)械強(qiáng)度隨著交聯(lián)時(shí)間的延長而增強(qiáng)[7]。Liakos通過將海藻酸鈉膜與洋甘菊、肉桂、薰衣草、茶樹、薄荷、桉樹、檸檬草和檸檬油等精油相結(jié)合[8]，使該膜具有良好的抗菌活性。Li等研制了鍶負(fù)載絲素-海藻酸鈉膜敷料[9]，并發(fā)現(xiàn)鍶量在1-30 mg/mL范圍內(nèi)時(shí)，敷料的吸水率隨鍶含量的增加而降低。鍶的加入增加了敷料的疏水性，從而能避免傷口周圍的分泌物引起傷口感染，并且可以在傷口敷料中誘導(dǎo)血管再生。海藻酸鈉制備納米纖維的研究較少。作為傷口敷料的潛在材料納米纖維可模仿細(xì)胞外基質(zhì)，從而促進(jìn)上皮細(xì)胞的增殖和新組織的形成。Hu等人研究海藻酸鈉和聚環(huán)氧乙烷電紡的納米纖維[10]，通過添加聚氧化乙烯，可使海藻酸鈉溶液紡成納米纖維，其平滑度和直徑受海藻酸鈉和聚環(huán)氧乙烷比例的影響。增加納米纖維中海藻酸鈉的比例將導(dǎo)致紡錘狀缺陷和直徑減小。
總之，海藻酸及藻酸鹽因具有無毒、生物相容性、非免疫原性、可承受性和高吸收能力等獨(dú)特的特性而廣泛應(yīng)用于創(chuàng)口愈合。研究者們又通過各種方式在一定程度提高了該種敷料的性能和功效。
2 殼聚糖類敷料
殼聚糖是由氨基葡萄糖和N-乙酰氨基葡萄糖組成的線性氨基多糖，其由β(1 - 4)糖苷鍵與甲殼素(其親本聚合物)的N-脫乙酰形成。甲殼素作為第二豐富的生物聚合物，主要存在于甲殼類動(dòng)物的外骨骼和真菌的細(xì)胞壁中。殼聚糖是一種聚陽離子聚合物，具有游離的乙酰胺基團(tuán)和羥基官能團(tuán)，與易受親核攻擊反應(yīng)的吡喃葡萄糖環(huán)有關(guān)。因此，可以通過選擇性修飾游離氨基來實(shí)現(xiàn)殼聚糖的官能化。根據(jù)化學(xué)致癌研究信息系統(tǒng)，殼聚糖沒有致突變作用，使其成為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的候選者。殼聚糖的大部分生物性質(zhì)與其陽離子行為和聚合物鏈的大小有關(guān)。
殼聚糖及其衍生物對不同微生物如細(xì)菌、真菌和病毒具有很好的抗菌活性[11,12]。多種研究表明，殼聚糖的抗菌活性可能取決于多種因素，如微生物種類、細(xì)胞年齡、殼聚糖濃度、螯合能力、親水/疏水特性、溶解度、細(xì)胞代謝產(chǎn)物的影響和殼聚糖的固態(tài)等，但主要取決于它的分子量和濃度。
有研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖作為傷口敷料在應(yīng)用于動(dòng)物開放性傷口時(shí)創(chuàng)面無瘢痕愈合。達(dá)到無痕愈合的原因主要有：殼聚糖生物聚合物能有效解聚釋放N-乙?；?D-氨基葡萄糖，在傷口愈合過程中促進(jìn)成纖維細(xì)胞增殖；殼聚糖單體有助于膠原的有序沉積，刺激了透明質(zhì)酸合成水平的提高；殼聚糖為皮膚組織的再生提供了纖維素基質(zhì)，并激活巨噬細(xì)胞以阻止異常生長活動(dòng)，有助于更快的傷口愈合和預(yù)防疤痕。
殼聚糖的抗凝活性是正電荷依賴性，因?yàn)榘被鶜ぞ厶菍?shí)際上與負(fù)電荷的紅細(xì)胞膜相互作用。近年來，已有文獻(xiàn)報(bào)道甲殼素和殼聚糖及其衍生物均具有鎮(zhèn)痛作用，但在之后的幾年中，也有研究者認(rèn)為殼聚糖的鎮(zhèn)痛作用是由于腹腔內(nèi)給予乙酸[13]所致。
殼聚糖已被用于凝膠、微或納米顆粒和膜等形式。在眾多殼聚糖衍生物的基礎(chǔ)上，合成了三甲基殼聚糖(TMC)、N，N-羧甲基殼聚糖(CMC)和羧甲基-N,N,N-三甲基殼聚糖(CMTMC)，由于這些衍生物具有更大的溶解度、抗菌活性、和生物相容性，引起了越來越多研究者的興趣。在臨床研究中，Stone等發(fā)現(xiàn)殼聚糖敷料促使了皮膚移植供區(qū)的愈合[14]。殼聚糖敷料與商業(yè)藻酸鹽敷料(KaltoSTAT○R)或硅酮網(wǎng)紗布(MEPITEL○R)進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)KaltoSTAT○R和MePiTeL○R敷料粘附到供體部位，而殼聚糖敷料容易除去，從而減少患者的疼痛。殼聚糖敷料組真皮神經(jīng)的數(shù)量增加并且真皮層中富含糖胺聚糖和毛細(xì)血管，同時(shí)在皮膚供皮區(qū)，也未觀察到感染或其他不良反應(yīng)。此外，Kratz等人研究殼聚糖-肝素膜對人皮膚創(chuàng)面愈合的影響[15]中發(fā)現(xiàn)，與供體未治療組相比，在12天后殼聚糖-肝素復(fù)合物治療組顯示出更快的再上皮化。
殼聚糖生物聚合物具有生物降解性、生物相容性和無毒性等特點(diǎn)，并且具有抗菌、促進(jìn)創(chuàng)傷愈合、止血和鎮(zhèn)痛的特性。這些特性使殼聚糖成為創(chuàng)傷創(chuàng)面的理想敷料。
3 透明質(zhì)酸及其衍生物類敷料
透明質(zhì)酸(HA)是一種有吸引力的聚合物，因其具有生物降解性和生物相容性并且支持細(xì)胞生長和增殖而被用于傷口敷料。透明質(zhì)酸參與創(chuàng)傷愈合過程中的許多步驟，如炎癥、肉芽形成和再上皮化。
透明質(zhì)酸是天然的生物聚合物，其由交替的D-葡糖醛酸和2-乙酰氨基-2-脫氧-D-葡萄糖組成，并通常存在于哺乳動(dòng)物的粘合組織和滑液中。透明質(zhì)酸分子已經(jīng)被證明是許多生理過程的調(diào)節(jié)劑，這得益于它的理化性質(zhì)和生物學(xué)特性。透明質(zhì)酸與纖維蛋白一起參與組織修復(fù)和傷口愈合的早期階段，幫助成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞組織進(jìn)入損傷部位。具體而言，透明質(zhì)酸親水性使纖維蛋白凝塊更軟，更易于細(xì)胞定植。值得注意的是，已有研究稱胎兒組織的無瘢痕修復(fù)與透明質(zhì)酸的長期存在有相關(guān)性[16]，并且一些作者提出透明質(zhì)酸富集的環(huán)境可抑制負(fù)責(zé)瘢痕形成的基質(zhì)細(xì)胞[17]。
然而，這種天然聚合物較差的物理性能直接限制了其在介質(zhì)中的直接使用。為了克服天然聚合物的物理性質(zhì)如易溶解和快速降解，通過酯化法把天然化合物制備成不溶性分子。天然高分子的化學(xué)改性方法使透明質(zhì)酸耐降解性增強(qiáng)，HaAFF○R11是通過將葡萄糖醛酸的游離羧基與芐基醇酯化而得到的透明質(zhì)酸衍生物的聚合物[18]，該化學(xué)修飾物,降低了羧基的親水性，增加了多糖的疏水組分，從而提高了聚合物的穩(wěn)定性，同時(shí)保持起始分子的生物性和安全特性。王萬宏等設(shè)計(jì)隨機(jī)對照大鼠實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)比例的活性玻璃和透明質(zhì)酸復(fù)合凝膠能促進(jìn)創(chuàng)面愈合[19]。通過分析關(guān)于透明質(zhì)酸敷料有效性的系統(tǒng)綜述和薈萃分析，發(fā)現(xiàn)無論透明質(zhì)酸的形式如何，都觀察到透明質(zhì)酸敷料在各種病因的慢性創(chuàng)口愈合中起到積極作用，表明透明質(zhì)酸及其衍生物有利于愈合過程[20]。
4 膠原蛋白類敷料
膠原蛋白是一種可生物降解且具有生物相容性的蛋白質(zhì)，主要存在于結(jié)締組織中。膠原蛋白是由成纖維細(xì)胞產(chǎn)生的，是人體中最豐富的蛋白質(zhì)。膠原蛋白參與傷口愈合級聯(lián)反應(yīng)的所有階段。它刺激細(xì)胞遷移并有助于新的組織發(fā)育。膠原基生物材料刺激和招募特定的細(xì)胞[21]，如巨噬細(xì)胞和成纖維細(xì)胞，沿著愈合級聯(lián)反應(yīng)，以增強(qiáng)和影響傷口愈合。膠原蛋白敷料易于應(yīng)用和去除。
在慢性傷口中，新生膠原的沉積被許多因素延遲或阻止。在這些因素中包括2類酶：基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)和彈性蛋白酶。研究發(fā)現(xiàn)這兩類酶的濃度在慢性傷口中異常升高。 MMPs與天然膠原和部分降解膠原片段的蛋白水解有關(guān)。膠原成分的動(dòng)態(tài)生成和破壞是急性創(chuàng)面愈合中的正常事件，MMPs在正常的皮膚代謝過程中也起著一定的作用。然而，在慢性傷口中，MMPs水平異常升高，此外，MMPs的抑制劑低于正常水平[22]?；|(zhì)金屬蛋白酶與基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑的比例升高導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)降解過多。彈性蛋白酶的主要底物是細(xì)胞外基質(zhì)彈性蛋白，彈性蛋白有助于真皮組織的彈性。慢性創(chuàng)面彈性蛋白酶活性高，彈性蛋白酶的作用是將PMP-MMPs(天然MMPs前體)轉(zhuǎn)化為活性MMPs。彈性蛋白酶是一種相對非特異性的蛋白酶，也可以與膠原結(jié)合，降解實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，彈性蛋白酶對天然膠原三螺旋結(jié)構(gòu)的親和性是相當(dāng)大的，因此含有天然膠原蛋白的敷料將發(fā)揮作用，可以作為彈性蛋白酶和MMPs的底物，從而抑制彈性蛋白酶和MMPs對機(jī)體自身膠原的降解作用。總之，慢性傷口的特征是膠原沉積減少和膠原破壞增加。彈性蛋白酶在維持傷口惡性循環(huán)中起著關(guān)鍵作用。去除彈性蛋白酶基本上消除了這種惡性循環(huán)的中樞，潛在地終止了傷口的慢性狀態(tài)。然而外源性的膠原敷料可以作為彈性蛋白酶和MMPs的底物，從而減輕他們對傷口膠原的消耗。因此膠原敷料可以起到促進(jìn)傷口愈合的作用。
體外研究使用膠原/氧化再生纖維素(ORC)敷料與標(biāo)準(zhǔn)治療紗布進(jìn)行比較。發(fā)現(xiàn)膠原蛋白/ ORC敷料能減少糖尿病足潰瘍(DFU)傷口液中存在的所有蛋白酶，包括中性粒細(xì)胞衍生的蛋白酶，纖溶酶和MMPs。ORC在傷口液中結(jié)合并滅活彈性蛋白酶和其他絲氨酸蛋白酶，而膠原充當(dāng)MMPs和彈性蛋白酶的底物[23]。在另一項(xiàng)研究中，膠原蛋白和去端肽凝膠敷料促進(jìn)傷口的血管增生，并在第15天傷口達(dá)到78%的愈合[24]。從牛、豬等動(dòng)物中提取的膠原蛋白敷料被推薦用于治療少量和中度滲出的部分或全層燒傷傷口，但是禁忌用在Ⅲ度皮膚燒傷和過敏患者。
5 其他
5.1 褐藻多糖硫酸酯類敷料
褐藻多糖硫酸酯是一種硫酸化多糖復(fù)合多糖，自從發(fā)現(xiàn)它具有與肝素類似的抗凝血活性并且據(jù)報(bào)道具有抗血栓形成，抗炎，抗腫瘤和抗病毒效應(yīng)等其他特性后，引起了相當(dāng)多生物技術(shù)人員的研究興趣。這些作用被認(rèn)為是由于其與生長因子如堿性成纖維細(xì)胞生長因子(bFGF)和轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)的相互作用有關(guān)。因此，褐藻多糖硫酸酯可以在組織修復(fù)的細(xì)胞生物學(xué)層面上調(diào)節(jié)生長因子的依賴性途徑。在一項(xiàng)研究中，他們研究褐藻多糖硫酸酯對成纖維細(xì)胞增殖及皮膚重建的影響，發(fā)現(xiàn)褐藻多糖硫酸酯明顯刺激人成纖維細(xì)胞增殖；同時(shí)免疫印跡分析表明：褐藻多糖硫酸酯明顯增加細(xì)胞周期蛋白D1的表達(dá)和降低p27的表達(dá)；免疫組化染色結(jié)果顯示，褐藻多糖硫酸酯促進(jìn)真皮細(xì)胞增殖核抗原(PCNA)和p63表達(dá)增加。這些結(jié)果表明，褐藻多糖硫酸酯對表皮重建具有積極的影響[25]。
5.2 聚-N-乙?；咸前奉惙罅?/h3>
由海洋微藻產(chǎn)生的聚-N-乙酰基葡糖胺具有止血活性并且常用作治療燒傷和傷口的支持材料。在前瞻性隨機(jī)臨床試驗(yàn)中，10名患者用負(fù)壓傷口治療(NPWT)和聚-N-乙?；咸前芳{米纖維(sNAG)的組合治療與另10名患者單獨(dú)用NPWT治療相比，組合治療有利于傷口愈合[26]。
雖然各種生物活性敷料在某一方面具有良好的性能，但都存在或多或少的缺陷，至今還沒有一種價(jià)格低廉，各種性能都十分良好的敷料。傳統(tǒng)先進(jìn)的傷口護(hù)理產(chǎn)品傾向于解決傷口的宏觀環(huán)境，包括傷口潮濕環(huán)境控制、針對慢性傷口的特定缺陷等。然而生物活性敷料可在生化水平上促進(jìn)傷口愈合。生物活性敷料已被證明是促進(jìn)傷口愈合的有效生物材料，但仍存在許多挑戰(zhàn)，例如有效、受控的藥物遞送系統(tǒng)，生物活性敷料制劑的滅菌問題等。生物活性敷料臨床前研究和臨床研究，已經(jīng)顯示了許多有利于慢性傷口愈合的結(jié)果，但是，為了排除生物聚合物的可變性，對材料進(jìn)行更完整和標(biāo)準(zhǔn)化的研究將是非常有益的。如今生物活性敷料的研究上主要有三個(gè)方向：通過添加能加速愈合和減少瘢痕的物質(zhì)來改善創(chuàng)面愈合；研究出性能如同自體皮的皮膚取代物；研究能促進(jìn)皮膚愈合的相關(guān)蛋白。
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