心肌无针注射的可行性及规律

吴 奇 李文章 黄 晶

(重庆医科大学附属第二医院心血管内科，重庆 400331)

目前心血管疾病已经成为危害人类健康最主要的原因之一，其中心肌梗死患者的死亡率为正常人群的4～6倍〔1〕。研究表明通过心肌内注射干细胞或基因能促进心肌血管再生并改善心脏功能〔2～5〕。然而采用传统的有针注射方式进行心肌药物投送时较难实现对进针深度的准确控制，因此存在心包填塞，血栓形成，诱发心律失常等风险〔6〕，因此有必要摸索一种更为安全有效的心肌注射途径。无针喷射技术是采用机械或高压气体为动力源，经能量转换，将液态药物经喷射孔喷出并渗透到皮下或肌肉发挥药效。早在20世纪40年代无针注射就开始被用于大范围的免疫接种和胰岛素注射〔7，8〕，至21世纪初已被用于基因注射〔9〕。但由于不完全喷射及喷射过程中存在液体回溅等情况〔10〕，无针喷射技术在临床应用中受到了一定的限制。同时由于心脏不同于皮肤组织，采用无针注射进行药物投送仍然存在心肌穿孔的可能。因此本实验将探讨心肌无针注射的可行性及其规律，为实现安全、有效的心肌无针注射提供实验依据，同时也为无针喷射技术进一步应用于各种内脏器官的药物投送提供实验基础。

1 材料与方法

1.1 设备 无针注射器(美国Injex公司Injex30无针注射系统)由固定机身、一次性无菌安瓿等组成。安瓿喷口直径为0.172 mm，内径为3.3 mm，最大容量为300μl。当触发扳机释放弹簧压力(相当于205个大气压推动安瓿里的药流)，以推动安瓿瓶内液体通过其前端的微喷口进行注射。本实验对注射器进行改装，通过对原安瓿进行加工，制作了喷口直径分别0.30 mm，0.40 mm的安瓿。

1.2 实验材料 新鲜离体猪心，以9%生理盐水灌洗后并用滤纸吸净心外膜水分备用。

1.3 测量喷射最大压强 利用Injex无针注射系统对小型压力传感器进行无针喷射，通过多通道生理信号采集仪(成都仪器厂，RM-6240B/C型多道生物信号采集与处理系统)记录喷射过程中得到的波形图，并测量最大喷射压强。在喷射过程中利用自制的支架使安瓿瓶微喷口与传感器表面始终保持1 mm的距离〔11〕。根据液体产生的能量不变的原理，将记录得到的结果代入公式(1)，可以得出液体喷射产生的压力大小，再根据公式(2)可以得出液体喷射过程中产生的最大压强。其中传感器所承受的压强(P传)可通过测量结果读出，传感器表面直径(d传)为 1.28 cm，喷口直径(d喷口)分别为0.172 mm，0.30 mm，0.40 mm。

1.4 喷射效率的评价 选择不同喷射容量及喷射口径对离体心肌组织进行注射，通过计算喷射进入离体猪心肌组织的液体质量占总的喷射液体质量的百分比来评价喷射效率〔12〕。喷射前利用微量天平分别测量一只未使用过的安瓿质量(M0)，装有液体的安瓿质量(M1)以及一张干净滤纸的质量(m1)。对离体心肌组织喷射后，用干净滤纸吸取喷射过程中回溅在心外膜的液体，再分别测量喷射后余有液体的安瓿质量(M2)及吸收液体后的滤纸质量(m2)，将测量结果代入到公式(3)，即可得到喷射效率F。

1.5 喷射深度的测量 选择不同喷射容量及喷射口径对离体心肌组织进行无射注射，利用手术刀沿喷射孔道垂直切开组织，以游标卡尺测量喷射深度〔13〕并记录相应的实验数据。为便于观测，喷射液体均选用蓝色墨水。

1.6 统计学方法 采用SPSS13.0软件进行方差分析。

2 结果

以喷射容量及喷口直径为影响因素，喷射压强、喷射效率及喷射深度为观察指标的正交实验结果。当选择喷口直径为0.4 mm，分别采用容量为0.15 ml及0.2 ml进行注射时，喷射墨水可以穿透心肌全层，故未录入该参数下测得结果。

除喷射容量对喷射深度的影响差异具有显著性外(P＜0.05)，喷口直径对喷射深度的影响差异具有极显著性(P＜0.01)，各因素影响大小为B＞A。随着喷射容量的增加，喷口直径的增大，喷射深度会相应的增加。因此，在进行心肌无针注射时，需要选择合适的喷射容量与喷口直径，从而避免发生心肌穿孔的可能。见表1。

表1 不同参数无针注射的喷射压强、喷射深度、喷射效率

3 讨论

尽管临床上可采用药物、介入及外科手术等方法对心肌梗死患者进行治疗〔14〕，但坏死的心肌组织不能从根本上得到修复，进而导致患者的心功恶化〔15〕。多项动物实验和初步的临床研究表明，通过促进血管生长及干细胞移植等方法可以改善心脏功能及预后〔16～18〕。然而通过何种途径进行药物投送从而实现安全有效的心脏血管及心肌细胞再生成为一个重要难点。与经外周静脉注射，经导管冠脉注射等方法相比，采用心肌内注射药物投送效率最高且在促进血管再生，改善心功能方面更为有效〔19，20〕。本实验结果表明通过选择合适参数，利用无针喷射技术可以实现有效的、深度可探的心肌药物投送，为改善心脏功能，促进心脏血管及心肌再生提供了一种新的安全，有效的途径。

心脏弹性模量小于皮肤组织的弹性模量，而本实验中所使用的INJEX无针注射系统是由美国INJEX公司开发的用于皮下注射胰岛素的设备，因此在实验之初我们对该系统进行了改装，制作了势能相当于原厂弹簧50%的弹簧作为推动液体喷射的动力。心肌在舒张期其弹性模量为10～20 kPa，而在收缩期心肌弹性模量可达到200～500 kPa〔21〕，因此进行无针注射时，喷出的液体需要首先克服心肌的弹性模量才能进入心肌组织。由实验结果可知，本实验研究中在任意一种参数组合下，喷射产生的最大压强都要高于心肌的弹性模量，因此利用无针喷射技术对心肌组织进行注射在理论上是可行的。此外有报道表明心肌药物注射单次注射剂量超过0.2 ml，可对心肌组织造成一定的损伤〔22〕，因此实验设定单次注射剂量不超过0.2 ml以尽量减小喷射对心肌组织可能造成的损伤。

心脏是一个主动收缩的器官，采用传统的针头注射方式注射后，药物会在心肌收缩力的作用下沿针头留下的孔道溢出，这也是引起传统有针注射投送效率较低的原因〔23〕。而采用无针喷射的方式注射后，液体渗透至肌肉层并呈现出茎叶状的分布〔24〕，这样就有利于药物停留在靶区发挥治疗作用。本结果表明，随着喷口直径的增加喷射的效率呈逐渐升高的趋势，选择合适的喷口直径进行喷射，其液体投送效率可达90%。Schramm-Baxter等〔24〕的研究显示无针喷射所产生的穿透组织的能量主要受喷射速度的影响，然而随着喷口直径增大，喷射的速度会相应的减小，因此理论上喷射直径越大，液体越难注射入心肌组织。本实验结果与之相反，其原因在于随着喷口直径增大，液体喷射进入组织所需的能量也会减小〔25〕，因此投送的效率也随之提高。

由于心脏是一个搏动器官，采用有针注射方式进行药物投送，难以对注射深度进行有效的控制，并可导致心脏穿孔，心包填塞等风险〔6〕。因此根据治疗需要，进行深度可控的心肌注射是实现安全的药物投送的基础。有研究表明，无针喷射的深度仅与组织的弹性模量及喷射的速度有关〔24〕，而本实验的结果显示喷射容量可作为独立的因素影响喷射深度，同时随着喷射容量的增加喷射深度也会相应增加，对于这一特性目前尚无明确的理论对其进行解释。此外由前述内容可知，随着喷口直径增大，液体喷射进入组织所需的能量会减小〔25〕，从而使液体喷射的深度增加。因此在利用无针喷射技术对心肌组织进行药物注射时，需要根据治疗的需要选择合适的喷射容量及喷口直径以实现对心肌安全地进行药物投送。

综上所述，本实验表明喷射容量与喷口直径可作为两个独立的参数影响喷射的效果，并为无针喷射活体心肌组织选择参数提供了实验基础。此外，由于本实验一直采用离体心肌组织作为研究对象，在探索心肌无针喷射规律时会存在一定局限性。在今后的实验研究中，本课题组会进一步探讨无针喷射技术应用于活体心肌注射的可行性及其规律。

1 Roger VL，Go AS，Lloyd-Jones DM.Heart disease and stroke statistics-2011 update:a report from the American Heart Association〔J〕．Circulation，2011;123(4):e18-e209.

2 Li SC，Wang L，Jiang H，et al．Stem cell engineering for treatment of heart diseases:potentials and challenges〔J〕．Cell Biol Int，2009;33(3):255-67.

3 盛娓娓，黄 晶，周大燕，等.碱性成纤维细胞生长因子在鼠缺血心肌中表达及其促血管新生作用〔J〕．中国老年学杂志，2009;29(17):2180-3.

4 周大燕，黄 晶，盛娓娓，等.成纤维细胞生长因子对大鼠急性心肌梗死后心室重构的影响〔J〕．解放军医学杂志，2009;34(6):691-4.

5 Boodhwani M，Voisine P，Ruel M，et al．Comparison of vascular endothelial growth factor and fibroblast growth factor-2 in a swine model of endothelial dysfunction〔J〕．Eur J Cardiothorac Surg，2008;33(4):645-50;discussion:251-642.

6 Gyongyosi M，Dib N.Diagnostic and prognostic value of 3D NOGA mapping in ischemic heart disease〔J〕．Nat Rev Cardiol，2011;8(7):393-404.

7 Hingson RA，Davis HS，Rosen M.Historical The development of hypospray for parenteral therapy by jet injection〔J〕．Anesthesiology，1949;10(1):66-75.

8 Kendall MA.Needle-free vaccine injection〔J〕．Handb Exp Pharmacol，2010;(197):193-219.

9 Walther W，Stein U，Fichtner I，et al．Low-volume jet injection for efficient nonviral in vivo gene transfer〔J〕．Mol Biotechnol，2004;28(2):121-8.

10 Hoffman PN，Abuknesha RA，Andrews NJ，et al．A model to assess the infection potential of jet injectors used in mass immunisation〔J〕．Vaccine，2001;19(28-29):4020-7.

11 Stachowiak JC，von Muhlen MG，Li TH，et al．Piezoelectric control of needle-free transdermal drugdelivery〔J〕．JControl Release，2007;124:88-97.

12 Linn L，Boyd B，Iontchev H.The effects of system parameters on in vivo injection performance of a needle-free injector in human volunteers〔J〕．Pharmaceut Res，2007;24(8):1501-7.

13 Wangner S，Dues G，Sawitzky D.Assessment of the biological performance of the needle-free injector INJEX using the isolated porcine forelimb〔J〕．Br J Dermatol，2004;150:455-61.

14 Smith SC Jr，Allen J，Blair SN.AHA/ACCguidelines for secondary prevention for patients with coronary and other atherosclerotic vascular disease:2006 update:endorsed by the National Heart，Lung，and Blood Institute〔J〕．Cir Culation，2006;113(19):2363-72.

15 Mingliang R，Bo Z，Zhengguo W.Stem cells for cardiac repair:status，mechanisms，and new strategies〔J〕．Stem Cells Int，2011;2011:310928.

16 Strauer BE，Schannwell CM，Brehm M.Therapeutic potentials of stem cells in cardiac diseases〔J〕．Minerva Cardioangiol，2009;57(2):249-67.

17 Fishbein I，Chorny M，Levy RJ.Site-specific gene therapy for cardiovascular disease〔J〕．Curr Opin Drug Discov Dev，2010;13(2):203-13.

18 Telemaque S，Marsh JD.Modification of cardiovasculation channels by gene therapy〔J〕．Expert Rev Cardiovasc Ther，2009;7(8):939-53.

19 Perin EC，Silva GV，Assad JA，et al．Comparison of intracoronary and transendocardial delivery of allogeneic mesenchymal cells in a canine model of acute myocardial infarction〔J〕．J Mol Cell Cardiol，2008;44(3):486-95.

20 周大燕，黄 晶.不同途径心脏再生治疗的疗效比较〔J〕．心血管病学进展，2008;29(6):913-6.

21 Omens JH.Stress and strain as regulators of myocardial growth〔J〕．Prog Biophys Mol Biol，1998;69(2-3):559-72.

22 Baldazzi F，Jorgensen E，Ripa RS，et al．Release of biomarkers of myocardial damage after direct intramyocardial injection of genes and stem cells via the percutaneous transluminal route〔J〕．Eur Heart J，2008;29(15):1819-26.

23 Laham RJ，Post M，Rezaee M，et al．Transendocardial and transepicardial intramyocardial fibroblast growth factor-2 administration:myocardial and tissue distribution〔J〕．Drug Metab Dispos，2005;33(8):1101-7.

24 Schramm-Baxter J，Mitragotri S.Needle-free jet injections:dependence of jet penetration and dispersion in the skin on jet power〔J〕．J Control Release，2004;97(3):527-35.

25 Schramm J，Mitragotri S.Transdermal drug delivery by jet injectors:energetics of jet formation and penetration〔J〕．Pharmaceut Re，2002;19(11):1673-9.