动脉粥样硬化治疗的新思路

万密密，赵梓楠，李婷，毛春

(1. 生物医药功能材料国家地方联合工程研究中心，江苏 南京 210023； 2. 南京师范大学化学与材料科学学院，江苏 南京 210023)

动脉粥样硬化的病因和发病机制复杂，其斑块一般聚集在动脉壁内膜中，由细胞外脂质颗粒、泡沫细胞和碎片组成，形成脂质坏死核心。随后核心被富含胶原蛋白的基质和平滑肌细胞包围，炎症细胞浸润病变，参与斑块进展[1-3]。它已成为各种心血管疾病的主要潜在原因。经皮冠状动脉介入(PCI)是治疗心血管疾病的重要手段，目前药物洗脱支架临床上较为常用[4-5]。然而，在药物洗脱支架植入后，相当一部分接受PCI的患者可能会发生植入后的晚期并发症，可出现支架内再狭窄、新动脉粥样硬化或支架内血栓等[6-8]。这些现象发生的潜在病理生理机制复杂，但可能与药物洗脱支架抑制新生内膜增殖有关[9]。为降低支架内再狭窄的发生率，通常药物洗脱支架中会涂覆抗内膜增殖的药物，但会导致血管愈合功能障碍、炎症持续发生等不良反应[10-11]。药物涂层球囊作为一种非支架技术，可以通过充气球囊在血管壁处理后均匀递送抗增殖药物，有望作为一种有效持久的策略用于治疗动脉粥样硬化，使永久性金属植入物的需求最小化，为一种更有前景的治疗手段[12-15]。药物涂层球囊的出现也许能够避免药物洗脱支架使用过程存在的问题，但也存在不足。针对现有药物洗脱支架和药物涂层球囊的缺陷，本课题组基于仿生理念进行了较为深入的研究。

1 基于药物洗脱支架技术的动脉粥样硬化治疗

1.1 概述

药物洗脱支架可实现短期内的血管扩张，它的出现是医学上一个具有里程碑意义的进步，它能够将术后再狭窄率降至10%以下，因此备受关注。以西罗莫司洗脱支架Cypher及紫杉醇洗脱支架Taxus为代表的第一代药物洗脱支架均经临床证实能够减少再狭窄的风险[16]，也都获得了美国FDA认证。随后第二代药物洗脱支架如佐他莫司洗脱支架Endeavor和依维莫司洗脱支架Xience V逐渐发展，它们具有更优的预防再狭窄能力及更好的安全性[17]。然而，随着临床应用的深入，现有药物洗脱支架的不足逐渐显露，如可能发生血栓、慢性炎症和支架内再狭窄，这些都与支架涂层对内皮化进程的减缓及涂层本身欠佳的生物相容性有关，因此，设计更安全和高效的药物洗脱支架非常必要。

1.2 新技术

两性离子因其特有的仿生结构，如磷胺两性离子、磺酸基甜菜碱等与细胞膜表面丰富的磷脂酰胆碱具有一定类似性，在生物医学领域有很大的应用潜力[18-19]。本课题组在此方向做了系列尝试，如为改善裸金属支架的表面生物相容性，在其表面使用表面引发的原子转移自由基聚合方法构建了具有良好防污性能和血液相容性的涂层。这种表面接枝两性离子聚合物刷的金属支架细胞毒性较低[20]。同时也尝试使用2-(溴化丁基-氧基)丙烯酸乙酯超支化聚合物及超支化聚酯构建裸金属支架表面涂层，结果表明此方法构建的聚合物涂层不会引起血小板黏附、红细胞破裂、溶血等现象，具有血液相容性好、防污性强、细胞毒性低等优点，表现出了它们在治疗心血管疾病方面的潜力[21-22]。

随后，为解决药物洗脱支架在使用过程中会抑制内皮细胞再生的问题，本课题组设计合成磺胺两性离子与丙烯酸共聚物，并将其接枝到裸金属支架表面，同时将内皮祖细胞特异性识别蛋白血管内皮钙黏蛋白固定在此共聚物链上，并由此提出“短期抗凝和长期内皮化”的冠状动脉支架表面修饰策略。这种抗黏附特性归因于其两性离子结构和特异性捕获内皮祖细胞的生物功能，蛋白修饰的裸金属支架对内皮祖细胞截留的结果证实了这一点。内皮祖细胞则可分化为成熟的内皮细胞，加速血管损伤后的再内皮化，防止支架内血栓形成和再狭窄，动物实验证实了该类支架表现出了内皮祖细胞的覆盖作用，没有明显的内膜增生[23]。为拓展两性离子聚合物刷的应用，本课题组还开发了一种具有抗凝和促进内皮修复的双功能高分子刷修饰裸金属支架，采用原子转移自由基聚合的方法，将甲基丙烯酸磺乙酯和甲基丙烯酸缩水甘油酯组成的两性离子型嵌段共聚物刷表面诱导接枝在裸金属支架表面，随后再修饰一氧化氮供体，目的在于在病患部位释放一氧化氮以实现促内皮的效应。结果表明这种双功能涂层具有良好的抗凝性能、低细胞毒性和显著的内皮化效果，这对于减弱术后再狭窄和晚期支架血栓形成相关的不良反应有很大的潜力[24]。之后，为简化修饰步骤，我们还将肝素/一氧化氮供体自组装形成的纳米粒子修饰至裸金属支架表面，利用纳米粒子中肝素的抗凝血特性和一氧化氮供体能够缓慢释放一氧化氮的性质构建了新一类抗凝/促内皮涂层，为提高药物洗脱支架的安全性和有效性提供了基于纳米技术的新设计思路[25]。

另外，针对目前药物洗脱支架表面同时装载多种药物的挑战，本课题组采用溶剂挥发诱导自组装方法在裸金属支架表面原位生长介孔二氧化硅涂层，首次用一锅法将亲水性抗凝药物肝素和疏水性抗组织增生药物雷帕霉素同时负载，并研究了这些药物的释放行为和机制。其中，肝素的快速释放可实现抗凝和内皮化，而雷帕霉素的缓慢释放可实现长期的抗组织增生治疗。体内实验结果证实了该类支架植入3个月后能成功地实现血管内皮化和抗组织增生的目的，这种同时含有亲水和疏水药物的多功能介孔涂层可能是一种很有前途的支架涂层材料[26]。

2 基于药物涂层球囊技术的动脉粥样硬化治疗

2.1 概述

早期的球囊扩张术主要作为金属支架递送与扩张的辅助系统。2001年研究者首次进行半顺应性球囊涂布抗增殖药物及赋型剂研究[27]。早期曾选用紫杉醇和西罗莫司作为活性药物，两者均为亲脂性药物，且都在药物洗脱支架应用领域展示出良好的抗内膜增生疗效[28]。2004年，研究者启动了首个药物涂层球囊治疗支架内再狭窄的临床研究，并于2006年发布了6个月临床试验结果，显示紫杉醇药物涂层球囊治疗支架内再狭窄比普通球囊更加安全有效[29]。随后，也有研究者逐渐证实了药物涂层球囊在不同疾病位点的有效性和安全性[30-31]。2018年，Jeger等[32]在《柳叶刀》上发表了一项药物涂层球囊治疗冠脉小血管病的临床试验结果，证实了药物涂层球囊可以进入小血管、分叉和病变血管，具有更加高效、灵活的递送能力。

随后，研究者致力于通过改进药物涂层球囊的涂层材料与技术以增强输送抗增殖药物的效率。药物涂层球囊的涂层材料通常由赋形剂和药物组成。其中，赋形剂是影响药物溶解性、涂层耐久性和药物释放的重要因素。目前研究较多的包括化合物、高分子聚合物和纳米粒子类赋形剂[32-34]。化合物类赋形剂按其性质又可分为亲水性、疏水性和两亲性化合物赋形剂。亲水性化合物赋形剂如碘普罗胺和尿素等与亲脂性紫杉醇存在极性差异，有助于涂层从球囊表面剥离，但这也会导致球囊在到达位点过程中出现大量药物损失[35]。疏水性化合物赋形剂如丁酰柠檬酸三正己酯等可促进药物在球囊表面的均匀分布，提高涂层的耐久性，同时还可促进紫杉醇形成微晶结构，提高药物在靶点的滞留率[36]。两亲性化合物赋形剂如聚山梨酯-山梨醇等有助于紫杉醇在载体基质中的均匀分布，还可促进球囊与血管接触过程中的药物转移。然而，化合物类赋形剂通常缺少药物控释能力，相比之下，使用高分子聚合物包埋药物能实现此目的。如2016年Lamichhane等[37]制备一种以硫酸葡聚糖聚合物为药物控释平台的涂层，以减少球囊置入过程中的药物损失。他们利用溶液浇铸法制备了硫酸葡聚糖负载紫杉醇的薄膜，细胞培养结果也表明涂层薄膜以剂量依赖性的方式抑制平滑肌细胞的生长。2018年，Anderson等[38]制备了一种以聚环氧乙烷为赋形剂的新型药物涂层球囊，结果表明，介入治疗30天后该类球囊的组织药物保留水平低于商品球囊，但二者均能提供临床相关剂量的药物浓度，并保留了30天的治疗水平。值得一提的是，体外释放实验表明该类球囊产生的颗粒物明显比商品球囊少，这可能会降低下游栓塞的风险。但使用聚合物作为药物载体，通常也只能维持较短时间的药物释放，达不到长期抗增殖的效果[39]。若想取得较好的疗效，可能需要多次球囊介入术治疗，这必然增加患者的痛苦。纳米载体能有效封装药物并控制药物缓慢释放(长达数十天至几个月)，因而成为一种极具潜力的涂层赋形剂。然而，药物与赋形剂涂层球囊大多具有药物滞留率低的问题。虽然使用纳米材料复合涂层可以在一定程度上提高药物滞留率，但由于其治疗方式的单一性，仍不能满足复杂动脉硬化的治疗需求[40]。

2.2 新技术

开发基于药物涂层球囊的联合治疗新技术对于动脉粥样硬化具有重要意义。纳米马达技术的出现为传统的药物递送系统带来了可能的突破，纳米马达具有一定的运动能力，可望实现在组织部位的深层渗透。关于这一点，本课题组在癌症治疗领域已有了较为深入的研究[41-43]。而纳米马达技术同样可为解决药物涂层球囊的涂层在动脉粥样硬化斑块部位滞留效率低的问题提供可行的策略。另外，考虑到动脉粥样硬化形成过程的多重复杂因素，单一的药物治疗策略可能无法达到理想效果，多种治疗策略的联合使用可能是较为可行的方法。如动脉粥样硬化形成过程中炎症巨噬细胞起到了重要作用，故而针对炎症巨噬细胞清除的策略是延缓动脉粥样硬化进程的重要方式[44-46]。而血管部位的长期抗组织增生也是另一个需要考虑的因素[47]。基于此，本课题组开发了一种具有自主运动能力的血小板膜包裹载药多孔纳米马达作为药物涂层球囊的涂层，用于有效治疗动脉粥样硬化。首先在负载紫杉醇的多孔二氧化硅空心球上构建不对称分布的铂纳米粒子，利用铂纳米粒子在近红外光照射下产生的光热效应所造成的不对称热泳现象，推动其运动构成纳米马达。再使用血小板膜包裹纳米马达以减少药物在到达斑块之前的泄露，实现药物在病变部位的有效释放。纳米马达的运动能力可以增强药物在斑块部位的滞留效率，同时利用纳米马达运动过程中产生的光热效应实现对炎症巨噬细胞的清除，长期释放的紫杉醇则可实现长期抗组织增生的目的，这些结果均在动物实验中得到了很好的证实[48]。

3 动脉粥样硬化治疗展望

随着对动脉粥样硬化病理学的深入研究，研究者的重点逐渐从血脂转移到炎症，并证实了以炎症为靶点治疗动脉粥样硬化的有益作用。同时，纳米技术对治疗动脉粥样硬化的介入研究在过去的十年中得到了加强，有望为患者带来新的治疗方法。利用纳米工程可以设计具有不同结构、功能的纳米载体，装载不同类型的药物，并在动物(主要是小鼠)实验模型中获得了良好的治疗效果，表现出显著的斑块和炎症减少现象。另外，纳米免疫疗法用于治疗动脉粥样硬化也是近几年备受关注的研究方向，因纳米粒子可以通过不同修饰策略与先天性免疫细胞如单核细胞、巨噬细胞和树突状细胞发生相互作用，从而实现对动脉粥样硬化斑块处的免疫调节。如有研究者开发了一种包覆自身免疫性疾病相关肽的纳米粒子，可通过在体内触发抗原特异性调节T细胞的分化和扩张来减弱自身免疫反应，可能对心血管疾病的治疗产生效果[49-50]。

除了传统的被动纳米给药系统，近几年逐渐发展的基于微纳米机器人主动给药系统也在心血管疾病的治疗中取得了一定进展，可望成为未来该类疾病治疗的重要发展方向。微纳米机器人的主动运动能力可促进自身及装载的药物在病变部位的深入渗透，从而提高药物治疗效果。如本课题组开发了一种采用血小板膜修饰的介孔/大孔二氧化硅/铂纳米机器人，用于血栓治疗的溶栓和抗凝药物的连续靶向输送。装载了药物的纳米机器人在近红外照射下能深入血栓部位，提高药物滞留效率[51]。这种兼具传统纳米粒子可设计性和纳米机器人运动能力的新一类主动纳米递送系统，有望为动脉粥样硬化引起的心血管疾病的治疗带来新的可能。