经人工耳蜗电极载药的研究进展

许木清 张宏征

南方医科大学珠江医院耳鼻咽喉科（广州510280）

人工耳蜗植入(Cochlear implants,CI)是目前治疗重度以上感音性聋的主要手段[1-3]。然而，人工耳蜗电极插入耳蜗导致的蜗内创伤以及远期纤维组织的形成等，影响了人工耳蜗应用效果。这些蜗内组织变化一方面来源于电极插入导致的直接机械损伤，另一方面还与植入后引发的炎性反应、细胞凋亡等机制有关[4,5]。近年来，经人工耳蜗电极载药用于减轻植入后耳蜗损伤和蜗内组织改变的研究越来越受到重视。该方法优于全身给药，可避开血迷路屏障直接进入内耳耳蜗内，且能克服圆窗膜给药时蜗内分布不均的缺点，同时避免全身用药的不良反应。本文对经人工耳蜗电极载药治疗的研究进展综述如下。

1 经人工耳蜗电极表面涂层载药

1.1 电极涂层种类及性能

1.1.1 电极表面涂层的种类

目前人工耳蜗电极涂层种类较多，如2-甲基丙烯磷酰胆碱（MPC）聚合物涂层[6]、左旋聚乳酸（PLLA）涂层及多聚4-羟基丁酸酯（P（4HB））涂层[7]、精氨酸甘氨酸天冬氨酸（RGD）修饰的海藻酸钠水凝胶和导电聚合物聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）复合物涂层[8]、胶原蛋白涂层[9]、羟乙基纤维素、乙醇、甘油混合物凝胶涂层[10]等。

1.1.2电极表面涂层的载荷性能

电极表面涂层具有良好的载荷性能。载荷性能是电极涂层最基本也是最重要的性能，对电极植入改善神经传导、提高耳蜗性能具有重要意义。涂层内部可包埋营养因子及生长因子[8,11]（如脑源性神经营养因子（BDNF）、胰岛素样生长因子1（IGF-1）及肝细胞生长因子（HGF））等。

1.1.3 表面涂层电极插入力度特点

Radeloff等[10]在鼓阶模型中插入涂层电极，当插入深度超过15毫米时，实验组（涂层电极）的插入力较对照组（无涂层电极）显著减小，且涂层材料的分布可达到耳蜗顶部；为进一步验证涂层电极载体插入的可行性，将其植入在人类颞骨中，结果表明，电极涂层同样可降低导致手术创伤的插入力；且涂层有助于将药物递送至毛细胞驻留的耳蜗顶端，这对有残余听力的患者而言，涂层分布均匀广泛，可能会使其获得更好的听觉感受。Kinoshita等[6]在豚鼠耳蜗中植入涂覆有2-甲基丙烯磷酰胆碱（MPC）聚合物涂层的电极阵列，并与无聚合物涂层的电极阵列组相比较，结果表明，当使用聚合物涂层电极时，电极插入明显容易，可减轻术后蜗内组织损伤，外毛细胞和螺旋神经节细胞的存活亦优于对照组。叶青等[12]认为，电极植入同时可能造成内耳结构与功能的损害，保护和利用残余听力的人工耳蜗植入手术可扩大人工耳蜗植入对象的范围。可见，电极表面涂层在降低插入阻力，减少植入损伤，对保护残余听力也具有非常重要的意义。

1.1.4 电极表面涂层的其他特性

精氨酸甘氨酸天冬氨酸（RGD）修饰的海藻酸钠水凝胶和导电聚合物聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）复合物涂层具有良好的生物安全性，且可减小电极阻抗，提高输送电荷的能力，改善人工耳蜗的性能[8]。左旋聚乳酸（PLLA）涂层及多聚4-羟基丁酸酯（P（4HB））涂层均具有良好的可降解特性，且P（4HB）比PLLA具有更好的降解曲线及粘合性、稳定性，且二者均对成纤维细胞活力无影响[7]。

1.2 电极表面涂层载药的应用

依据表面涂层包含的物质不同，笔者对电极表面涂层进行归类，分别论述其研究进展。

1.2.1 神经营养因子

神经营养因子可能对增强耳蜗植入的生物电传递和螺旋神经节细胞（SGCs）的存活状态有重要作用，进而改善患者的听觉感受。Agterberg等[13]研究表明，BDNF治疗可使SGCs存活状态得到增强，并防止未经处理的对侧耳蜗的SGC存活状态减弱。神经营养介入治疗拥有持久的疗效。目前研究的包埋在涂层中的营养因子主要是脑源性神经营养因子（BDNF）。

Chikar等[8]的研究表明精氨酸甘氨酸天冬氨酸（RGD）修饰的海藻酸钠水凝胶和导电聚合物聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）复合物涂层能装载并释放显著水平的营养因子（BDNF）进入耳蜗；生物活性BDNF在植入后1周内即可有较大幅度的释放，但持续时间较短，仅2周，且电荷输送能力过强可能会影响长期的电刺激敏感性，导致刺激信号保真度及峰值性能降低。Volkenstein等[9]将包埋神经营养因子的胶原蛋白作为电极涂层，SGCs可存活在胶原蛋白涂层表面，且轴突向着胶原纤维沉积的方向生长。大多数神经突触向着胶原所在方向导向性平行生长，从而使得神经电接触距离更近，这可能会使人工耳蜗具有更好的频率识别，并最终改善患者的言语感知。本实验是小鼠耳蜗离体实验，无法进行听力测试，因而有待在体内实验进一步验证胶原蛋白涂层作为CI涂层引导突触生长和提高听力方面的效果。

1.2.2 涂层包埋生长因子：

Kikkawa等[11]用125I标记的胰岛素样生长因子1（IGF-1），将其及肝细胞生长因子（HGF）结合于凝胶内，包覆于电极表面，植入豚鼠耳蜗，结果表明水凝胶涂层电极吸附较多的IGF-1并持续释放达48小时，IGF-1和HGF具有保护听力作用，水凝胶涂层生长因子释放电极可以减轻插入创伤并促进损伤修复，本研究中认为电极植入后外毛细胞脱失，但我们课题组的研究无此发现，且文中结果显示电极包覆生长因子后纤维组织增多，则给药涂层可能会导致电极阻抗增加，进而影响生物电的传导，因而，有待进一步深化研究明确该涂层给药策略的利弊。

2 电极内部给药

2.1 基质给药

2.1.1 电极硅胶基质及其载荷特性

电极是由电极触点、电极丝及硅胶基质组成。电极硅胶基质同样具有良好的载荷性能。为将药物递送到内耳，越来越多的研究在硅胶基质中包埋药物[14,15]，随电极植入耳蜗内实现定向给药，对电极植入术后的创伤修复及术后效果有重要意义。电极硅胶基质目前更多的是作为药物研究的载体，如糖皮质激素（地塞米松）等，目前笔者未见硅胶基质内包埋活性细胞、神经营养因子、生长因子等的研究报道。

2.1.2 硅胶载药电极插入力度特点

电极的插入力可能会在电极插入期间增加创伤的风险，因此，Nguyen等[15]在鼓阶模型中对硅胶电极阵列插入力度进行了研究。当插入10到24毫米时，电极直径0.5毫米的远端阵列（有/无地塞米松）比不含药物的直径0.4毫米的远端阵列表现出更高的插入力度。电极直径0.4毫米的远端阵列在植入过程中，硅胶载药组与无载药组的摩擦力相近。文章认为，在硅胶中混入地塞米松用于人工耳蜗植入，这种设计并没有改变电极阵列插入力度，也没有在插入期间增加引发创伤的风险，因而长期适用于耳蜗植入。因此，表面涂层电极在降低植入力方面优于硅胶基质载药电极，更有利于减轻植入创伤。

2.1.3 硅胶基质给药的其他特性

硅胶基质掺入药物可以获得长达数周甚至数月的药物缓释曲线[14,16,17]，但同时也给电极带来其他方面的影响。硅胶基质中载药多以晶体形式存在，较粗糙[18]，可能会导致植入电极过程中加大植入创伤，同时随着药物不断溶解进入释放体系，硅胶基质逐渐出现大小不等的小孔[19]，这破坏了电极表面的完整性，可能会在一定程度损害电极的性能。

2.2 电极硅胶基质载药的应用

目前硅胶载药的研究主要集中在糖皮质激素（地塞米松）。笔者对硅胶基质释放地塞米松的研究进展综述如下。

2.2.1 地塞米松的细胞毒性及蜗内安全性

药物应用于内耳，首先必须具有细胞无毒，Bohl等[20]体外生物相容性研究证实，地塞米松对于离体培养的螺旋神经节细胞无细胞毒性。Stathopoulos等[19]在正常成年豚鼠耳蜗内植入了地塞米松释药（实验组）或非释药（对照组）电极阵列，文章认为，在豚鼠耳蜗所用的地塞米松具有安全性，地塞米松没有抑制内耳开窗术密封的形成。但地塞米松对螺旋神经节细胞的生物毒性是否存在剂量相关性有待进一步研究。

2.2.2 硅胶基质中地塞米松的药物缓释行为

Ghavi等[17]在医用级硅胶中掺入地塞米松（0.25-2.0%），采用高效液相色谱法进行分析，结果表明载药量百分比和接触表面积是影响硅胶基质药物释放的最主要的因素，释药曲线长达600余天。Liu,Y等[14,21]在硅胶基质中载负地塞米松（2.0%,10%），探讨其在体内和体外释放地塞米松的药代动力学，体内和体外试验均表明，电极能够持续释放地塞米松，载药量较多的电极在稳定期的药物浓度比载药量较少的电极略高，时间也较长；在缓释药物一段时间后，外淋巴液中地塞米松的浓度与含有2和10%的地塞米松的硅胶棒持平。在体外释药试验中，药物释放的时间持续了20周，在体内持续1周。豚鼠实验的药代动力学研究进一步表明[16]，术后30分钟后，地塞米松在外淋巴液中的浓度达峰，释药时间至少持续1周持续至少1周；Krenzlin等[22]用计算机模拟对人工耳蜗载药电极做了药物释放的预测性研究，依据菲克第二扩散定律，使包埋有不同量的地塞米松的有机硅膜的药代动力学的实验结果在计算机模拟中快速得到证实。虽然以上体外缓释药物实验、动物体内实验或者计算机体外模拟，与人体内的药物代谢动力学可能有一定差异，但由于硅胶基质载药系统缓释特性明显，在内耳缓释药物大多能达到长时间的治疗的要求。

2.2.3 硅胶载药电极植入对组织学及听力水平的影响

耳蜗内植入电极可引起炎症反应，从而损伤听力。近年的电极涂层载药研究认为，糖皮质激素可能与抗纤维化、减低术后阻抗及保护听力有关。

刘娅等[21]的研究表明，硅胶基质释放的地塞米松能抑制TNF-α特异的炎性细胞，在地塞米松组，TNF-α染色阳性细胞的数量较对照组减少，植入术后的炎症反应较轻，从而促进术后听力的恢复。Paasche等[23]对4组成人患者进行了长达4年的观察研究，结果表明，糖皮质激素的应用在耳蜗基底及中间区域能明显降低阻抗，这说明术后纤维组织的生长在耳蜗的基部区域更明显，该研究认为阻抗的降低与纤维组织生长减少，从而增强了刺激效应有关。张略[24]等对36例儿童人工耳蜗植入者给予糖皮质激素治疗，同样表明糖皮质激素可降低术后电极阻抗，认为糖皮质激素可降低耳蜗植入后电极周围纤维化组织形成，但缺少病理学证据，无法进一步明确纤维化与阻抗之间是否存在相关性。Farhadi等[25]通过对成年雄性豚鼠设计对照试验，在试验组豚鼠耳蜗内植入载有地塞米松的状似CI电极的硅胶，分析内耳标本炎性细胞浸润结果并比较组间炎症反应情况，结果表明地塞米松硅胶载药电极组的炎症指标（纤维细胞、巨噬细胞、淋巴细胞以及毛细血管形成）较低，电极植入术后的炎症反应也较弱。Liu,Y等[16]的研究表明，地塞米松电极组术后1周至12周即显著恢复了听觉功能，术后听力水平明显好于对照组（4-24kHz尤为明显），病理学结果可见鼓阶内新生纤维组织包裹电极，TNF-α染色阳性细胞在地塞米松组表达低于对照组。Stathopoulos等[19]在正常成年豚鼠耳蜗内植入了地塞米松释药（实验组）或非释药（对照组）电极阵列，文章认为耳蜗阵列释放的地塞米松的听力保护水平可能取决于释药水平及创伤程度。Douchement等[26]在沙鼠耳蜗内植入含有地塞米松的缓释硅胶电极，结果显示频率为500，1000，4000，16000 Hz的短期（4-6周）听力得到改善。长期（1年）听力结果证实了较高频率的听力同样得到改善，但对于500和1000赫兹等较低频率需要进一步研究验证。因而硅胶电极可长时间释放地塞米松，但对短期残余听力保护效果更明显。

2.2.4 蜗内缓释地塞米松的机制研究

对于极重度听力损失的治疗，耳蜗植入是不可或缺的手段。我们课题组前期的研究[4]表明，耳蜗植入术后基因表达将发生改变：耳蜗炎性基因（Cxcl-1，IL-1A，TNF-α，Tnfrsf1a/b）和离子平衡的基因（Scnn1γ，Aqp3和Gjb3）可观察到有显著增加；组织重塑基因上调（TGF-A，MMP2，MMP9）以及旁分泌基因（CTGF）也都观察到表达上调。MM9的表达极端上调，我们认为与听力阈值的变化有定性关联。Takumi等[27]在豚鼠耳蜗中植入载有地塞米松的缓释电极，并与传统电极和非手术对照组进行对比，采用罗氏公司的基因芯片对植入术7天后的基因表达进行研究，结果显示在正常电极组中，40个基因被上调了2倍以上甚至更多。大部分的基因上调与免疫应答和炎症反应有关。比起正常电极组，在地塞米松缓释电极组中，40个基因中有7个进一步上调，而其中有12个则下调，并且有一种返回到非手术状态的趋势。比起正常电极组，地塞米松缓释电极组的9个基因被下调2倍，9个基因中的4个显示出返回非手术状态的趋势。且这些基因确实参与了耳蜗的生理功能的维持。地塞米松缓释电极对耳蜗达到动态平衡的正常状态有疗效。本实验采用的是罗氏公司的基因芯片，但是关于统计方法未清楚说明，仅交代空白与对照组间的比较采用t检验，未交代实验组的统计方法。

Dinh等[28,29]对大鼠Corti器在三种不同条件下体外培养，进行TGF-α诱导听觉毛细胞损失和地塞米松抗TNF-α耳毒性的分子机制的研究，结果表明地塞米松可减少TNF-α诱导的外植体的毛细胞损失。TNF-α的耳毒性作用可能是通过上调Bax和TNFR1的表达以及增加Bax/Bcl-2比值来调节。地塞米松通过上调Bcl-2和Bcl-xL的表达，以及抑制TNF-α诱导的Bax、TNFR1增加及Bax/Bcl-2比值的增加来对抗TNF-α在Corti器耳毒性的作用。这些结果为局部使用地塞米松治疗创伤后的听力损失提供治疗依据。

3 电极外部涂层与内部基质荷载相结合

Wrzeszcz等[18,30]将地塞米松掺入电极细丝（聚二甲基硅胶[PDMS]），表面披覆星形聚乙二醇预聚物（SPEG）水凝胶涂层，水凝胶涂层可以使硅胶载药电极粗糙的表面变得光滑，且其释药曲线长达3个月；在进一步的动物实验中经扫描显微镜观察证实，地塞米松、SPEG及二者联合可减少电极周围结缔组织形成。另外，表面涂覆SPEG涂层的玻璃纤维虽未能减少在人类鼓阶模型中的插入力，其插入力仍与传统CI电极相当。

Bohl等[20]将硅胶基质中掺入地塞米松和电极载体表面涂覆包埋地塞米松的聚合物涂层相结合，研究认为，实验初始阶段为涂层释药，涂层具有较高的稳定性，体外药物释放研究呈现一个较快的地塞米松释放曲线；实验硅胶基质释放地塞米松阶段，释药曲线呈现一个较低的持续释放的状态，由此达到长时间降低术后纤维化的目的。笔者认为，本研究虽然是体外试验结果，由于其具备了外部涂层给药的“较快”释放以及基质给药的“缓释”性能，分别对应于植入耳蜗术后的急性创伤修复及长期抗纤维化过程，具有较高的临床意义。

综上所述，人工耳蜗电极表面涂层载药主要选用营养因子及生长因子，提高SGC的存活率，减小神经电接触距离、改善神经传导，提高耳蜗性能，同时可降低植入力，减少植入创伤，降低蜗内炎症。硅胶基质给药主要包埋糖皮质激素（如地塞米松），减轻术后炎症反应、保护残余听力，减轻纤维化，降低阻抗，提高短期及长期的听力水平，获得更理想的听声效果。当然，这方面的研究还处于早期阶段，还不成熟，神经营养因子、生长因子、糖皮质激素等药物对耳蜗及螺旋神经节的作用还需要进一步的实验来验证。笔者以为，若能深化这方面的研究，并将人工耳蜗电极表面涂层和硅胶基质两个递送系统结合应用，取长补短，对提高人工耳蜗植入术后疗效或将更有裨益。