镁基合金可生物降解支架血管内应用研究进展

孔令华，贺迎坤，李天晓，张一林，何艳艳，朱世杰

20 世纪中叶以来，血管内介入技术已从最初单纯血管内血压监测，发展成为目前各种血管内治疗技术。 Sigwart 等［1］1987年成功实施首例冠状动脉血管内支架植入术，开创了血管内治疗新纪元。 此后血管内治疗技术快速发展，逐渐应用于神经血管、内脏血管及外周血管等多个领域。 裸金属支架是血管内治疗技术最早应用的支架，通常在植入早期辅助血管扩张，晚期抵抗血管负性重塑，最终长期存留血管内。它也会带来诸如患者术后需长期服用抗血小板凝聚药物，长期存留于血管内易引起局部慢性炎性反应、支架内再狭窄、支架内血栓形成等问题［2］。 存留血管内也可能发生形变或断裂，破坏血管正常生物结构，影响血管舒缩功能和后续血管旁路移植。 为解决上述问题，生物可吸收支架（bioresorbable scaffold/stent，BRS）应运而生，根据其主要成分可分为生物可吸收聚合物血管支架（bioresorbable polymeric vascular scaffold，BPVS）和可生物降解金属合金支架（biodegradable metallic alloy scaffold，BMAS）。 1990年代即有 BRS 概念，并开始临床试验。 首枚Igaki-Tamai 支架（日本Kyoto Medical Planning 公司）［3］临床应用以来，BPVS 受到广泛认可。 但为了提高径向支撑力，BPVS 设计支架丝较厚（150 μm），多项临床试验研究发现支架断裂和支架内血栓形成概率随之增加［4-5］。

BMAS 虽不如BPVS 发展迅速，但凭借优异的强度和延展性，成为国内外研究新宠。 镁（Mg）［6-7］、铁（Fe）［8］和锌（Zn）［9］是目前 BMAS 主要原料。 锌（Zn）极限抗伸强度（ultimate tensile strength，UTS）（20～120 MPa）低于血管支架材料所需的基准值（300 MPa）［10］。铁基 BMAS（Fe-BMAS）仍存在生物降解后产物堆积问题［11］。 镁是人体必需微量元素，在正常细胞外体液中含量为 0.7～1.05 mmol/L［12］，作为活化因子参与多种生物化学反应，如DNA 和RNA合成、细胞生长和繁殖、细胞能量储存。 多项研究证明镁基BMAS（Mg-BMAS）具有良好的生物金属特性，广泛应用于生物体［13-14］。 本文就 Mg-BMAS 血管内应用作一综述，进一步探讨其优缺点、相应优化措施及应用前景。

1 Mg-BMAS 在脑血管领域的应用进展

镁作为生物体中必不可少的元素，与脑血管疾病联系异常紧密。 硫酸镁（MgSO4）在不同脑卒中动物模型中具有可靠的脑保护作用，既可舒张脑血管，又可直接保护神经细胞和神经胶质细胞［15-17］。Can 等［18］回顾分析 1990年至 2016年1 275 例患者被诊断为颅内动脉瘤后1 d 内血清镁数据，多变量分析表明低血清镁与动脉瘤破裂呈正相关。 Larsson等［19］meta 分析 7 项前瞻性试验研究共 6 477 例脑卒中患者，结果发现膳食中镁摄入量与脑卒中风险负相关，缺血性脑卒中患者每日摄入100 mg 镁使总脑卒中风险降低 8%（RR=0.92，95%CI=0.88～0.97）。

临床前实验研究表明，Mg-BMAS 降解特性可提高出血性脑卒中动脉瘤辅助治疗效果。 支架辅助栓塞技术发展，为复杂颅内动脉瘤血管内治疗提供了更多选择。 BRS 依其特性在辅助栓塞基础上，还可减少载瘤动脉炎性反应，避免多种术后并发症，也可使患者免于终生抗血小板凝聚治疗。 Gruter 等［20］在84 只雄性小鼠腹主动脉建模形成侧壁囊状动脉瘤，分为单独 brMAS 组（n=23）、brMAS＋阿司匹林（n=19）组、brMAS＋弹簧圈＋阿司匹林组（n=7）、单独阿司匹林组（n=6）、常规钴铬支架（CoCrS）＋弹簧圈＋阿司匹林组（n=6）和不治疗组（n=23），brMAS 为可降解聚乳酸聚合物涂层的镁合金支架（瑞士Biotronik公司），长度6 mm，直径2.5 mm；术后第4 周观察显示，brMAS 治疗后动脉瘤表现出明显愈合，同时伴有新生内膜形成和支架降解，brMAS ＋弹簧圈、CoCrS＋弹簧圈治疗后动脉瘤均完全愈合，无残余灌注，可见新生内膜形成，两组支架外膜周围炎症、动脉瘤壁炎症、血栓中中性粒细胞差异均无统计学意义（P＞0.99）；术后 1～6 个月随访未发现 brMAS 出现不良反应，brMAS＋弹簧圈＋阿司匹林组动脉瘤治疗后愈合快，新生内膜形成迅速。 Wang 等［21］、王武等［22］、张宪亮等［23］报道将上海交通大学自主研发的交大生物镁合金系列（Jiao Da biomagnesium series，JDBM）支架共植入7 只兔颈总动脉偏侧动脉瘤，结果显示JDMS 可有效治愈兔颈总动脉偏侧动脉瘤。

Mg-BMAS 可行性及生物安全性动物实验研究均基于健康血管，而缺血性脑卒中相关研究报道鲜见。但鉴于Mg-BMAS 具有良好的径向支撑力、生物安全性及抗血小板凝集［24］等特性，其在脑血管领域具有广阔的研究及应用前景。

2 在周围血管的应用

周围血管病变多聚焦于狭窄/闭塞，血管内支架治疗禁忌证也无特别严格，因此BRS 在周围血管内应用比较广泛。Peeters 等［25］2005年报道采用可吸收金属支架（absorbable metal stent，AMS）（德国 Biotronik公司）治疗20 例下肢严重缺血患者，术后3 个月下肢血管通畅率68.4%（13/19），保肢率100%；术后6个月支架尚未完全降解。 该研究作为首次Mg-BMAS 临床试验研究报道具有里程碑式意义，但纳入患者不多，缺少远期随访数据，未能很好地证明Mg-BMAS 有效性 。 Bosiers 等［26］2009年报道 AMS INSIGHT 临床随机对照试验研究，117 例下肢严重缺血患者随机分为经皮腔内血管成形术（PTA）组（50 例，64 个病灶）、AMS 组（59 例，72 个病灶）和AMS＋PTA 组（7 例，11 个病灶），术后 1 个月、6 个月临床特征和术后6 个月血管造影结果显示，AMS 治疗膝下严重缺血具优越性；AMS 组术后1 个月并发症发生率（5.3%）与PTA 组（5.0%）差异无统计学意义（P=1.0）；术后 6 个月量化血管分析（quantitative vascular analysis，QVA）显示 AMS 组血管造影通畅率（31.8%）低于 PTA 组（58.0%）（P=0.013），PTA 组靶病变血运重建（target lesion revascularization，TLR）率（16.0%）低于 AMS 组（31.1%）（P=0.052）。 该研究中AMS 安全性得到证实，但QVA 结果显示术后6个月AMS 组疗效低于PTA 组；血管通畅率远期结果与最初小样本研究阳性结果不一致，表明支架内再狭窄成为AMS 植入后关键问题。 随后，药物洗脱支架（drug eluting stent，DES）［27］和 BPVS［28］在下肢血管病变中应用研究发展迅速，Mg-BMAS 则因技术限制和术后再狭窄问题鲜见报道［29］。 近年国内外开展Mg-BMAS 表面改性和结构特性优化研究，旨在满足血管内治疗需要。 可见Mg-BMAS 在周围血管病变领域应用，具有很大潜力。

3 在循环大动脉的应用

Mg-BMAS 研发初期已应用于心肺大动脉疾病。Zartner 等［30］2005年报道 1 例结扎动脉导管时意外结扎肺动脉6 周的女婴：通过复合手术于狭窄处植入直径3 mm、长10 mm AMS 支架，即刻造影显示肺左上叶动脉过度支架化，以致灌注稍减少；术后7 d 复查造影显示肺左上叶完全灌注，术后33 d右心室收缩压下降至小于外周收缩压的一半；初步验证镁基合金降解时对人体具安全性，血清镁略微升高（2.5 mmol/L），肾功能轻度下降，但无不良反应。 同年，Schranz 等［31］报道 1 例 4 周龄主动脉瓣狭窄伴室间隔缺损（VSD）男婴接受AMS 治疗，结果显示植入晚期AMS 径向支撑力不足，但基本能满足早期血管扩容，血清镁升高也未造成相关并发症。由此表明，Mg-BMAS 应用于儿童循环大血管可行，但安全性还需进一步探究。 2019年，Coyan 等［32］报道研制出一种新型心脏瓣膜镁合金支架并作急性实验体内功能研究，植入4 只约克猪体内12 h 后，心脏多普勒超声检查显示血管内为非湍流顺行血流，未发现肺动脉反流，活体解剖检查显示瓣膜小叶完整，无结构破损和损伤迹象，未见与小叶相关血栓形成；表明急性实验期支架力学功能和瓣膜生物相容性均可接受。

Mg-BMAS 在心肺大动脉狭窄治疗中安全有效。 但临床研究显示，由于受径向支撑力、降解速度和长度限制，Mg-BMAS 植入后远期降解过程中未能提供良好的径向支撑力。 目前该领域临床研究均为个案报道，为验证Mg-BMAS 相关特性，需要进行更多动物实验和临床研究。

4 在冠状动脉的应用进展

Mg-BMAS 在发展早期就已应用于冠状动脉疾病。 Heublein 等［24］2003年首次报道活体动物实验，在11 只家猪冠状动脉中植入20 枚AE21 镁合金可降解支架（含镁、2%铝、1%稀土元素如铈、 镨、钕等），支架降解快速，并可诱导新生内膜早期显著增生；随后Biotronik 公司在WE43 镁合金基础上改良研制出新一代AMS-1 支架（无聚合物包覆和药物缓释涂层），动物模型中可观察到AMS-1 均匀快速内皮化，支架内无再狭窄。为了验证AMS-1 临床安全性和有效性，Erbel 等［33］、Ghimire 等［34］、Waksman 等［35］报道参与一项前瞻性、多中心、非随机的PROGRESSAMS 临床试验研究，未观察到患者发生心源性死亡、心肌梗死及支架内血栓形成等并发症，但术后主要心血管不良事件（MACE）发生率（23.8%，15/63）、TLR（39.7%，25/63）均较高，术后 12 个月时分别高达26.7%、45%，血管内超声（IVUS）显示管腔内再狭窄。AMS-1 植入后内膜增生和血管回缩引发的MACE 和TLR，成为令人关注的问题。

Wittchow 等［36］研究测试 AMS 支架不同比例涂层聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）和紫杉醇，研制出第一代药物洗脱可吸收金属支架（drug-eluting absorbable metal scaffold，DREAMS）。 Haude 等［37-38］报道 0 期临床试验研究（BIOSOLVE-Ⅰ），47 例植入一代DREAMS 患者3年随访结果显示，靶病变失败（target lesion failure，TLF）发生率为 4%，TLR 为 4.3%，病变区心肌梗死为2.2%，未见心脏性死亡或支架内血栓形成；论证认为DREAMS 具有良好的安全性。为进一步优化支架性能，二代DREAMS 表面涂层改为7 μm 可吸收左旋聚乳酸（PLLA）和 1.4 μm/mm2西罗莫司洗脱剂，可更有效地抑制内膜增生。 二代DREAMS 最新研究（BIOSOLVE-Ⅱ）结果显示，植入术后6 个月患者TLF 发生率为3.3%（靶血管心肌梗死 1 例，心源性死亡 2 例），TLR 为 1.7%，术后 36个月TLF 发生率为6.8%（心源性死亡2 例，靶血管心肌梗死1 例，靶病变血管重建5 例），TLR 为4.3%，术后36 个月内未观察到确切或可能的支架内血栓形成；术后12、36 个月可观察到支架内管腔丢失增加［（0.11±0.28） mm、（0.13±0.30） mm］和狭窄直径略有增加［（3.8±10.1）%、（4.1±10.2）%］；相比于 BIOSOLVE-Ⅰ，长病变［（12.6±4.5） mm］、小血管直径（2.2～3.7 mm）患者在植入术后早期仍表现出良好的安全性（TLF 3.3%，TLR 1.7%），但随着时间延长，管腔丢失，出现较高 TLF（6.8%）和 TLR（4.3%）［39］。 二代DREAMS 上市后确证试验研究（BIOSOLVE-Ⅳ）纳入400 例患者，结果则显示术后12 个月确切或可能的支架内血栓形成、 靶血管心肌梗死、TLR 发生率分别为 0.5%、0.5%、4.6%［40］。

冠状动脉作为Mg-BMAS 应用最迅速的领域，同时承担着许多风险。 二代DREAMS MagmarsTM凭借BIOSOLVE- Ⅱ近中期研究结果上市后，BIOSOLVE-Ⅳ研究结果并未达到前期研究预期，术后12 个月TLR 高达4.6%。由此可见，即使Mg-BMAS理论上表现出完美特性，也需要进一步完善临床试验研究验证。

5 展望

血管内支架植入术问世以来，永久性植入支架后并发一系列问题始终为人诟病。 Mg-BMAS 通过表面改性［41］、锻造工艺改良［42］和成分配比调整［43］等方法，不断攻克力学强度、降解速度、支架内再狭窄、 支架内血栓形成以及植入后炎性反应等问题，并逐步推广应用于脑血管、心血管和外周血管疾病等领域。 Mg-BMAS 径向强度在早期为血管提供支撑力，血管恢复后逐渐降解至消失，可避免产生各种异物植入的不良反应。 Mg-BMAS 在心血管领域应用研究虽然进展最为迅速，但仍处于临床应用早期，现有临床试验还局限于冠状动脉简单病变，其安全性和有效性验证还需更长期随访研究；在脑血管和外周血管领域应用研究尚处于临床前期。 现有动物实验研究中动脉粥样硬化动物模型构建困难，病理条件下动物实验研究缺失，而健康血管内临床前实验则不能很好地反应可降解支架性能。 由于物种特性存在差异，血管生理特点或血液理化性质不同，也可使实验结果存在不可避免的误差。 此外，降解产物研究也是可降解支架不可忽视的方面。

BMAS 降解速度易受环境条件的影响。 为了解决降解速度不可控问题，Son 等［44］报道提出生物可吸收电子支架（bioabsorbable electronic scaffold，BES）纳米和集成策略：借助支架内集成传感器实现血流量测量、体温监测、炎症抑制、热疗治疗，通过无线数据传输和数据储存分析控制支架表面药物释放，达成疗效后可自行降解。 该方法已通过动物实验验证。 个体化支架可在血管完全恢复后通过人工干预，精确迅速降解。 除降解速度外，支架径向支撑力、生物安全性及结构特点，均会对病变血管愈合和愈合后并发症发生造成不同程度的影响。 支架个体化或将成为未来血管内支架研究方向。