壳聚糖及其衍生物在组织修复重建中的应用

张加强 侯春林*

甲壳质是目前地球上产量仅次于纤维素的第二大天然资源，具有广阔的应用前景。壳聚糖是甲壳质脱乙酰基后的衍生物，壳聚糖及其衍生物凭借良好的组织相容性、多样的生物活性、无细胞毒性、生物降解性及低致敏性被称作多能型生物材料，其出众的物化性质，如高比表面，多孔性，抗张力强度及导电性[1]，使其医学用途广泛，并制备成不同的产品和剂型（如薄膜，纤维，海绵，粉剂，粉末，凝胶，溶液等），已广泛用于临床。而临床上对于较大创面、软骨、神经等组织的修复重建仍面临较多困难，通过皮瓣移植、自体神经移植等现有自体组织修复方法又会给病人带来二次伤害，极需研究新型生物活性材料进行替代治疗。现将近年来壳聚糖及其衍生物在组织修复重建方面的研究综述如下。

1 创面修复

壳聚糖及其衍生物具有可生物降解性，良好的组织相容性，抗菌活性和低免疫原性，使其具有开发为创面修复生物材料的优势。目前，已临床应用的壳聚糖类创面修复产品有速愈贴、术宁愈肤贴、欣夫宁-速愈贴等。张琳等[2]利用SIKVAV多肽修饰的壳聚糖水凝胶治疗小鼠创面，发现其能加速创面表皮细胞再生，促进肌成纤维细胞沉积，促进血管形成和角化细胞增殖分化，同时抑制皮肤炎症。Thomas等[3]通过静电纺丝法将壳聚糖与乙烯醇1∶1比例合成复合纳米纤维膜，并装载抗生素，用于伴有感染的创面修复。刘婷等[4]用石墨烯基（GO）与1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳化二亚胺（EDC）修饰的壳聚糖-胶原蛋白复合膜（CC-G-E膜）装载碱性成纤维细胞生长因子（bFGF），不仅生物相容性，热稳定性及机械性能好，而且能够实现对bFGF的控制释放，能加速小鼠全层皮肤损伤的创面修复，是一种新型药物释放及创面修复材料。Mansur等[5]将甲基丙烯酸酯化高分子壳聚糖与明胶-A光交联，构建矩阵网络性能水凝胶支架，其溶胀度高，随着网络交联的增加支架分子退化减少，显微CT成像及扫描电子显微镜显示其具有均匀连接的三维多孔结构，且生物相容性良好，适用于伤口敷料和皮肤组织修复。Corinna等[6]利用壳聚糖-N-乙酰半胱氨酸修复家兔眼角膜直径6mm的创面72小时，用高分辨率光学相干断层扫描及上皮荧光素染色检测提示壳聚糖-N-乙酰半胱氨酸组家兔角膜修复速度明显快于安慰剂组。

2 骨、软骨修复

近年来，壳聚糖及其衍生物应用于骨、软骨修复的研究越来越广泛，壳聚糖因其良好的细胞亲和力及生物学性能，已作为3D打印支架材料。由创伤、感染或先天性疾病等原因造成的大量骨缺损尤其是软骨退变缺损是修复重建外科面临的大难题，而现有治疗方法的局限性，现有材料存在得生物降解性、生物相容性及机械强度等问题，都迫切要求加快对壳聚糖类生物材料的研究。

壳聚糖已由国家批准作为组织工程支架材料，Moreira等[7]在温敏性壳聚糖基础上，利用胶原及生物活性玻璃纳米微粒进行化学修饰，得到一种新型活性凝胶，这一复合凝胶的胶凝温度为37℃，与正常体温相近，该凝胶具有孔隙大，力学性能好，硬度高，且无细胞毒性等优势，有望成为修复骨组织的新型生物材料。Karbasi等[8]发现聚羟基丁酸壳聚糖/丝素静电纺丝纳米复合支架，不但纤维直径细，总孔隙度高，而且耐拉力更强，延长度高。杨乐等[9]发现磷酸三钙--壳聚糖与毕格犬间充质干细胞具有较好的组织相容性，既不会改变细胞的生长增殖情况，又具有可注射性，利用磷酸三钙--壳聚糖支架作为毕格犬间充质干细胞的载体，能有效地促进四肢骨形成及血管再生，来修复骨缺损。软骨组织退变缺损一直是困扰临床医生的难题，壳聚糖作为一种糖胺聚糖，已列为关节软骨的保护剂，用于防治退变性骨关节炎，产品奇特杰于2013年已用于临床。Kamoun等[10]将N-琥珀酰壳聚糖与水溶性的二醛基淀粉混合，通过希夫碱反应制得 N-琥珀酰壳聚糖淀粉混合凝胶，是一种新型可注射、可生物降解的生物材料，具有凝胶时间短，吸水率低，分子量减轻少，结构紧密等优势，适合于组织工程及软骨修复。Maria等[11]利用富血小板血浆/稳定多孔壳聚糖支架培养人原代软骨细胞14天，发现细胞数量显著增加，并表达高水平的II型胶原蛋白，而未检测到I型胶原蛋白，该支架成功诱导软骨细胞定居分化，有望成为修复关节软骨的新途径。

3 神经修复

周围神经损伤因其高发病率及高致残率，已成为创伤及修复重建外科研究的重点之一。壳聚糖及其衍生物因其良好的生物相容性及特殊的生物活性，早在1993年，苟三怀、侯春林等[12]已经报道有关“几丁质桥接周围神经缺损”的研究。顾晓松等[13]将壳聚糖作为支架材料，成功研制组织工程化神经，修复犬坐骨神经60 mm缺损。其还设计了一种新型组织工程化神经（TENGs），由壳聚糖/丝素蛋白为神经支架，复合骨髓间充质干细胞，用于桥接大鼠10 mm长的坐骨神经缺损，组织学和功能评估表明神经再生结果优于壳聚糖/丝素蛋白支架，效果接近于自体神经移植[14]。壳寡糖是壳聚糖的中间降解产物，顾晓松利用壳寡糖填充的硅胶管桥接损伤的坐骨神经后，出现一过性促炎性细胞因子和巨噬细胞增多，研究发现壳寡糖能促进施万细胞内 CCL2表达，从而诱导巨噬细胞迁移至创伤处，重建损伤神经微环境，促进神经再生。壳寡糖促进大鼠周围神经再生，而且刺激施万细胞增生，顾晓松通过对转录组和基因调控网络分析，发现miR-27a/FOXO1轴是调控壳寡糖刺激施万细胞增生的主要信号通路，壳寡糖能提高miR-27a的表达水平，导致 FOXO1减少，随之加速细胞周期，促进施万细胞增生[15,16]。杨宇民等[17]发现装载神经生长因子的肝素/壳聚糖支架能提高施万细胞的依附性，促进施万细胞增生，还能促进施万细胞的形态演变。Shapira等[18]利用壳聚糖空心管用于啮齿动物切断坐骨神经后的神经重建，疗效与自体神经移植相接近。Tanaka等[19]发现壳聚糖纳米纤维管移植能部分恢复毕格犬损伤膈神经的功能，改善膈肌运动，降低膈神经传导速度，修复损伤神经，壳聚糖纳米纤维管内新生神经纤维被肉芽组织包绕。脊髓组织缺失与空洞形成阻碍了脊髓损伤的修复，壳聚糖+ECM+SB216763支架能促进神经干细胞向神经元、少突胶质细胞、星形胶质细胞分化，因此有希望用于脊髓损伤修复[20]。

4 药物释放系统

壳聚糖及其衍生物在制药工业中已被广泛用作药物控制系统，包括微球，纳米颗粒，凝胶等形式。朱守安等[21]通过小鼠动物实验研究表明，小G蛋白Rac1活性升高显著促进软骨基质降解，促进基质降解酶MMP13、ADAMTS-5的分泌以及软骨肥大钙化标志COLX和Runx2的表达，而Racl小分子抑制剂NSC23766很难保持药物有效浓度，壳聚糖因其简单易得和药物释放控制性成为一种有效载体，壳聚糖微球包裹Racl小分子抑制剂NSC23766，可以显著降低软骨细胞中Racl活性，同时抑制软骨基质的降解，对OA的严重程度进行OARSI评分，发现壳聚糖微球包裹NSC23766缓释组具有更低的OARSI评分，更少的ADAMTS-5和COLX表达。Rencber等[22]将壳聚糖包被的氟康唑构造成可口腔粘附的纳米颗粒，用于治疗口腔念珠菌病，通过对照发现壳聚糖包被的纳米颗粒直径更大，分散指数更高，电动势能更大，减少了药物用量，降低药物的细胞毒性及副反应，而且不影响药物分散的均匀性，消除了药物的相互作用。对家兔感染口腔念珠菌后，壳聚糖包被组治愈率更高，效果更好。李保强等[23]通过选择性单级酰化反应，赋予壳聚糖水溶性、紫外交联性及可注射性，这种 N-甲基丙烯酰壳聚糖在中性溶液中的溶解度提高了2.21倍，取代度也明显升高，解决了壳聚糖不能在正常人体内溶解的问题，利用 N-甲基丙烯酰壳聚糖可以快速、有效、低成本的构建装载细胞的微胶粒，不但能用作组织工程材料，其高细胞存活率可以用于快速经皮注射，在局部持续释放蛋白，组织学分析显示其低剂量的紫外辐射不会损伤皮肤，7天后急性炎症反应消失，有望成为新型药物释放系统。

5 其他应用

壳聚糖及其衍生物应用于组织修复重建，还具有其他独特生物活性，如防粘连，抗菌活性，抗肿瘤活性等。N,O-羧甲基壳聚糖-醛透明质酸（NOCC-AHA）凝胶，具有无细胞毒性，生物降解性，生物相容性等优势，与透明质酸凝胶相比，血液及腹腔灌洗液中tPA水平更高，具有更明显的防粘连作用[24]。壳聚糖-蜂胶纳米颗粒生物利用度高，穿透能力强，抗菌疗效好，用于治疗粪肠球菌生物膜形成，不仅能降低细菌数量，而且能破坏细菌生物膜结构，改变粪肠球菌基因表达，适用于慢性创面及手术部位感染的细菌生物膜形成[25]。壳聚糖-鱼精蛋白纳米颗粒药物滞留好，缓释作用强，颗粒直径小，分散系数低，包封率高，而且能完成5-Fu的有效核输送。利用壳聚糖-鱼精蛋白搭载5-Fu，作用于A549细胞和 Hela细胞具有较高细胞毒性，并能诱导细胞凋亡，抑制肿瘤生长[26]。

6 总结和展望

壳聚糖及其衍生物凭借多样的生物活性，良好的组织相容性，丰富的自然储量，在生物医学及制药工业中发挥着重要作用，其在创面修复、抗菌止血、防治骨关节炎、防粘连等方面的产品得到广泛应用。然而，壳聚糖在神经修复及组织工程支架方面的有效性研究，大部分实验是在体外或动物体内进行测试，壳聚糖及其衍生物在人体内修复神经组织的有效性还需要进一步研究，所以下一步研究方向是壳聚糖衍生物在人体内的安全有效性及疗效稳定性，争取早日实现临床应用，解决神经缺损的难题。相信随着研究的深入，壳聚糖及其衍生物将会有更多用途。