動脈粥樣硬化治療的新思路

萬密密，趙梓楠，李婷，毛春

(1. 生物醫藥功能材料國家地方聯合工程研究中心，江蘇 南京 210023； 2. 南京師范大學化學與材料科學學院，江蘇 南京 210023)

動脈粥樣硬化的病因和發病機制復雜，其斑塊一般聚集在動脈壁內膜中，由細胞外脂質顆粒、泡沫細胞和碎片組成，形成脂質壞死核心。隨后核心被富含膠原蛋白的基質和平滑肌細胞包圍，炎癥細胞浸潤病變，參與斑塊進展[1-3]。它已成為各種心血管疾病的主要潛在原因。經皮冠狀動脈介入(PCI)是治療心血管疾病的重要手段，目前藥物洗脫支架臨床上較為常用[4-5]。然而，在藥物洗脫支架植入后，相當一部分接受PCI的患者可能會發生植入后的晚期并發癥，可出現支架內再狹窄、新動脈粥樣硬化或支架內血栓等[6-8]。這些現象發生的潛在病理生理機制復雜，但可能與藥物洗脫支架抑制新生內膜增殖有關[9]。為降低支架內再狹窄的發生率，通常藥物洗脫支架中會涂覆抗內膜增殖的藥物，但會導致血管愈合功能障礙、炎癥持續發生等不良反應[10-11]。藥物涂層球囊作為一種非支架技術，可以通過充氣球囊在血管壁處理后均勻遞送抗增殖藥物，有望作為一種有效持久的策略用于治療動脈粥樣硬化，使永久性金屬植入物的需求最小化，為一種更有前景的治療手段[12-15]。藥物涂層球囊的出現也許能夠避免藥物洗脫支架使用過程存在的問題，但也存在不足。針對現有藥物洗脫支架和藥物涂層球囊的缺陷，本課題組基于仿生理念進行了較為深入的研究。

1 基于藥物洗脫支架技術的動脈粥樣硬化治療

1.1 概述

藥物洗脫支架可實現短期內的血管擴張，它的出現是醫學上一個具有里程碑意義的進步，它能夠將術后再狹窄率降至10%以下，因此備受關注。以西羅莫司洗脫支架Cypher及紫杉醇洗脫支架Taxus為代表的第一代藥物洗脫支架均經臨床證實能夠減少再狹窄的風險[16]，也都獲得了美國FDA認證。隨后第二代藥物洗脫支架如佐他莫司洗脫支架Endeavor和依維莫司洗脫支架Xience V逐漸發展，它們具有更優的預防再狹窄能力及更好的安全性[17]。然而，隨著臨床應用的深入，現有藥物洗脫支架的不足逐漸顯露，如可能發生血栓、慢性炎癥和支架內再狹窄，這些都與支架涂層對內皮化進程的減緩及涂層本身欠佳的生物相容性有關，因此，設計更安全和高效的藥物洗脫支架非常必要。

1.2 新技術

兩性離子因其特有的仿生結構，如磷胺兩性離子、磺酸基甜菜堿等與細胞膜表面豐富的磷脂酰膽堿具有一定類似性，在生物醫學領域有很大的應用潛力[18-19]。本課題組在此方向做了系列嘗試，如為改善裸金屬支架的表面生物相容性，在其表面使用表面引發的原子轉移自由基聚合方法構建了具有良好防污性能和血液相容性的涂層。這種表面接枝兩性離子聚合物刷的金屬支架細胞毒性較低[20]。同時也嘗試使用2-(溴化丁基-氧基)丙烯酸乙酯超支化聚合物及超支化聚酯構建裸金屬支架表面涂層，結果表明此方法構建的聚合物涂層不會引起血小板黏附、紅細胞破裂、溶血等現象，具有血液相容性好、防污性強、細胞毒性低等優點，表現出了它們在治療心血管疾病方面的潛力[21-22]。

隨后，為解決藥物洗脫支架在使用過程中會抑制內皮細胞再生的問題，本課題組設計合成磺胺兩性離子與丙烯酸共聚物，并將其接枝到裸金屬支架表面，同時將內皮祖細胞特異性識別蛋白血管內皮鈣黏蛋白固定在此共聚物鏈上，并由此提出“短期抗凝和長期內皮化”的冠狀動脈支架表面修飾策略。這種抗黏附特性歸因于其兩性離子結構和特異性捕獲內皮祖細胞的生物功能，蛋白修飾的裸金屬支架對內皮祖細胞截留的結果證實了這一點。內皮祖細胞則可分化為成熟的內皮細胞，加速血管損傷后的再內皮化，防止支架內血栓形成和再狹窄，動物實驗證實了該類支架表現出了內皮祖細胞的覆蓋作用，沒有明顯的內膜增生[23]。為拓展兩性離子聚合物刷的應用，本課題組還開發了一種具有抗凝和促進內皮修復的雙功能高分子刷修飾裸金屬支架，采用原子轉移自由基聚合的方法，將甲基丙烯酸磺乙酯和甲基丙烯酸縮水甘油酯組成的兩性離子型嵌段共聚物刷表面誘導接枝在裸金屬支架表面，隨后再修飾一氧化氮供體，目的在于在病患部位釋放一氧化氮以實現促內皮的效應。結果表明這種雙功能涂層具有良好的抗凝性能、低細胞毒性和顯著的內皮化效果，這對于減弱術后再狹窄和晚期支架血栓形成相關的不良反應有很大的潛力[24]。之后，為簡化修飾步驟，我們還將肝素/一氧化氮供體自組裝形成的納米粒子修飾至裸金屬支架表面，利用納米粒子中肝素的抗凝血特性和一氧化氮供體能夠緩慢釋放一氧化氮的性質構建了新一類抗凝/促內皮涂層，為提高藥物洗脫支架的安全性和有效性提供了基于納米技術的新設計思路[25]。

另外，針對目前藥物洗脫支架表面同時裝載多種藥物的挑戰，本課題組采用溶劑揮發誘導自組裝方法在裸金屬支架表面原位生長介孔二氧化硅涂層，首次用一鍋法將親水性抗凝藥物肝素和疏水性抗組織增生藥物雷帕霉素同時負載，并研究了這些藥物的釋放行為和機制。其中，肝素的快速釋放可實現抗凝和內皮化，而雷帕霉素的緩慢釋放可實現長期的抗組織增生治療。體內實驗結果證實了該類支架植入3個月后能成功地實現血管內皮化和抗組織增生的目的，這種同時含有親水和疏水藥物的多功能介孔涂層可能是一種很有前途的支架涂層材料[26]。

2 基于藥物涂層球囊技術的動脈粥樣硬化治療

2.1 概述

早期的球囊擴張術主要作為金屬支架遞送與擴張的輔助系統。2001年研究者首次進行半順應性球囊涂布抗增殖藥物及賦型劑研究[27]。早期曾選用紫杉醇和西羅莫司作為活性藥物，兩者均為親脂性藥物，且都在藥物洗脫支架應用領域展示出良好的抗內膜增生療效[28]。2004年，研究者啟動了首個藥物涂層球囊治療支架內再狹窄的臨床研究，并于2006年發布了6個月臨床試驗結果，顯示紫杉醇藥物涂層球囊治療支架內再狹窄比普通球囊更加安全有效[29]。隨后，也有研究者逐漸證實了藥物涂層球囊在不同疾病位點的有效性和安全性[30-31]。2018年，Jeger等[32]在《柳葉刀》上發表了一項藥物涂層球囊治療冠脈小血管病的臨床試驗結果，證實了藥物涂層球囊可以進入小血管、分叉和病變血管，具有更加高效、靈活的遞送能力。

隨后，研究者致力于通過改進藥物涂層球囊的涂層材料與技術以增強輸送抗增殖藥物的效率。藥物涂層球囊的涂層材料通常由賦形劑和藥物組成。其中，賦形劑是影響藥物溶解性、涂層耐久性和藥物釋放的重要因素。目前研究較多的包括化合物、高分子聚合物和納米粒子類賦形劑[32-34]?；衔镱愘x形劑按其性質又可分為親水性、疏水性和兩親性化合物賦形劑。親水性化合物賦形劑如碘普羅胺和尿素等與親脂性紫杉醇存在極性差異，有助于涂層從球囊表面剝離，但這也會導致球囊在到達位點過程中出現大量藥物損失[35]。疏水性化合物賦形劑如丁酰檸檬酸三正己酯等可促進藥物在球囊表面的均勻分布，提高涂層的耐久性，同時還可促進紫杉醇形成微晶結構，提高藥物在靶點的滯留率[36]。兩親性化合物賦形劑如聚山梨酯-山梨醇等有助于紫杉醇在載體基質中的均勻分布，還可促進球囊與血管接觸過程中的藥物轉移。然而，化合物類賦形劑通常缺少藥物控釋能力，相比之下，使用高分子聚合物包埋藥物能實現此目的。如2016年Lamichhane等[37]制備一種以硫酸葡聚糖聚合物為藥物控釋平臺的涂層，以減少球囊置入過程中的藥物損失。他們利用溶液澆鑄法制備了硫酸葡聚糖負載紫杉醇的薄膜，細胞培養結果也表明涂層薄膜以劑量依賴性的方式抑制平滑肌細胞的生長。2018年，Anderson等[38]制備了一種以聚環氧乙烷為賦形劑的新型藥物涂層球囊，結果表明，介入治療30天后該類球囊的組織藥物保留水平低于商品球囊，但二者均能提供臨床相關劑量的藥物濃度，并保留了30天的治療水平。值得一提的是，體外釋放實驗表明該類球囊產生的顆粒物明顯比商品球囊少，這可能會降低下游栓塞的風險。但使用聚合物作為藥物載體，通常也只能維持較短時間的藥物釋放，達不到長期抗增殖的效果[39]。若想取得較好的療效，可能需要多次球囊介入術治療，這必然增加患者的痛苦。納米載體能有效封裝藥物并控制藥物緩慢釋放(長達數十天至幾個月)，因而成為一種極具潛力的涂層賦形劑。然而，藥物與賦形劑涂層球囊大多具有藥物滯留率低的問題。雖然使用納米材料復合涂層可以在一定程度上提高藥物滯留率，但由于其治療方式的單一性，仍不能滿足復雜動脈硬化的治療需求[40]。

2.2 新技術

開發基于藥物涂層球囊的聯合治療新技術對于動脈粥樣硬化具有重要意義。納米馬達技術的出現為傳統的藥物遞送系統帶來了可能的突破，納米馬達具有一定的運動能力，可望實現在組織部位的深層滲透。關于這一點，本課題組在癌癥治療領域已有了較為深入的研究[41-43]。而納米馬達技術同樣可為解決藥物涂層球囊的涂層在動脈粥樣硬化斑塊部位滯留效率低的問題提供可行的策略。另外，考慮到動脈粥樣硬化形成過程的多重復雜因素，單一的藥物治療策略可能無法達到理想效果，多種治療策略的聯合使用可能是較為可行的方法。如動脈粥樣硬化形成過程中炎癥巨噬細胞起到了重要作用，故而針對炎癥巨噬細胞清除的策略是延緩動脈粥樣硬化進程的重要方式[44-46]。而血管部位的長期抗組織增生也是另一個需要考慮的因素[47]?；诖?，本課題組開發了一種具有自主運動能力的血小板膜包裹載藥多孔納米馬達作為藥物涂層球囊的涂層，用于有效治療動脈粥樣硬化。首先在負載紫杉醇的多孔二氧化硅空心球上構建不對稱分布的鉑納米粒子，利用鉑納米粒子在近紅外光照射下產生的光熱效應所造成的不對稱熱泳現象，推動其運動構成納米馬達。再使用血小板膜包裹納米馬達以減少藥物在到達斑塊之前的泄露，實現藥物在病變部位的有效釋放。納米馬達的運動能力可以增強藥物在斑塊部位的滯留效率，同時利用納米馬達運動過程中產生的光熱效應實現對炎癥巨噬細胞的清除，長期釋放的紫杉醇則可實現長期抗組織增生的目的，這些結果均在動物實驗中得到了很好的證實[48]。

3 動脈粥樣硬化治療展望

隨著對動脈粥樣硬化病理學的深入研究，研究者的重點逐漸從血脂轉移到炎癥，并證實了以炎癥為靶點治療動脈粥樣硬化的有益作用。同時，納米技術對治療動脈粥樣硬化的介入研究在過去的十年中得到了加強，有望為患者帶來新的治療方法。利用納米工程可以設計具有不同結構、功能的納米載體，裝載不同類型的藥物，并在動物(主要是小鼠)實驗模型中獲得了良好的治療效果，表現出顯著的斑塊和炎癥減少現象。另外，納米免疫療法用于治療動脈粥樣硬化也是近幾年備受關注的研究方向，因納米粒子可以通過不同修飾策略與先天性免疫細胞如單核細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞發生相互作用，從而實現對動脈粥樣硬化斑塊處的免疫調節。如有研究者開發了一種包覆自身免疫性疾病相關肽的納米粒子，可通過在體內觸發抗原特異性調節T細胞的分化和擴張來減弱自身免疫反應，可能對心血管疾病的治療產生效果[49-50]。

除了傳統的被動納米給藥系統，近幾年逐漸發展的基于微納米機器人主動給藥系統也在心血管疾病的治療中取得了一定進展，可望成為未來該類疾病治療的重要發展方向。微納米機器人的主動運動能力可促進自身及裝載的藥物在病變部位的深入滲透，從而提高藥物治療效果。如本課題組開發了一種采用血小板膜修飾的介孔/大孔二氧化硅/鉑納米機器人，用于血栓治療的溶栓和抗凝藥物的連續靶向輸送。裝載了藥物的納米機器人在近紅外照射下能深入血栓部位，提高藥物滯留效率[51]。這種兼具傳統納米粒子可設計性和納米機器人運動能力的新一類主動納米遞送系統，有望為動脈粥樣硬化引起的心血管疾病的治療帶來新的可能。