生物材料應用于內鏡黏膜下注射液的研究進展

何牧野 王涵 曲明悅 王春仁

【提要】 內鏡黏膜下手術治療的發展使得早期消化道腫瘤以及息肉手術治療變得更加簡單便捷，極大地減輕了患者的術后痛苦與經濟負擔。黏膜下注射能有效預防術中穿孔，是內鏡黏膜下手術的主要步驟，可明顯減少手術時間。普通的生理鹽水作為黏膜下注射液雖然安全廉價，但形成的隆起效果差、隆起時間不持久。生物材料有良好的生物相容性、較低的毒副作用，可以形成有黏附性的液體，是黏膜下注射液良好的選擇之一。本文對生物材料作為內鏡黏膜下注射液的研究進展進行綜述。

內鏡黏膜下切除術(EMR)與內鏡黏膜下剝離術(ESD)是在內鏡下對消化道早期腫瘤或息肉進行摘除的手術。相比于普通外科手術，具有患者術后痛苦小、術后恢復好、住院時間短等優點。黏膜下注射是內鏡黏膜下手術的主要步驟，良好的黏膜下注射液可避免手術操作穿孔、手術操作困難等問題。生理鹽水安全性高、價格低廉，是常用的黏膜下注射液，但形成隆起效果差、擴散快，需多次注射，使得生理鹽水不能成為最佳的黏膜下注射液。近年來，新型黏膜下注射劑的研究眾多，主要有二氧化碳[1]、異丙烷[2]等無機化合物，甘油[3]等有機物，自體血[4]、明膠[5]、透明質酸[6]等生物材料，其中生物材料應用最為廣泛。生物材料是一類用于診斷、治療、修復或替換人體組織、器官或增進其功能的新型高技術材料[7]，在人體內具有良好的生物相容性，較少產生毒副作用，被廣泛應用于骨、心臟、牙齒等部位。內鏡黏膜下注射液必須具備組織無毒性，且有一定的黏性，能形成持久的下墊，生物材料完全可以滿足以上要求。生物材料種類繁多，本文從合成材料、天然材料及其衍生物、復合材料三個方面綜述了生物材料作為內鏡黏膜下注射液的應用研究進展，期望為其臨床應用提供一定的依據。

1 合成材料

1.1 泊洛沙姆

泊洛沙姆是白色或微黃色半透明蠟狀固體，是由聚氧乙烯和聚氧丙烯組成的嵌段共聚物，泊洛沙姆具有一定的熱敏性，根據聚氧乙烯和聚氧丙烯比例的不同可分為不同類型，其中聚氧乙烯的含量超過30%以上的泊洛沙姆具有一定的水溶性。

泊洛沙姆188中的聚氧乙烯在共聚物中的占比為80%，易溶于水，在20%～30%濃度和室溫下能成凝膠狀態。泊洛沙姆188具有一定的安全性、表面活性、可增加細胞膜通透性、穩定修復細胞膜[8-9]的優點，是常用的藥物輔料。最新研究的一種主要成分為泊洛沙姆188與染料亞甲基藍的乳劑(Eleview)[10]，其氧乙烯的氫鍵能與細胞外基質結合，使得Eleview能與細胞基質相互作用，產生一定的黏附性。黏膜下注射該乳劑能大大縮短手術時間，一般使用生理鹽水的手術時間是60～140 min，而使用Eleview的平均手術時間為12.5 min，且所需用量較小。使用泊洛沙姆188作為黏膜下注射劑有一定可行性，對于EMR術Eleview無需多次注射，但行ESD術時則需要注射3～5次。但是，Eleview注射后容易產生氣泡，使得視野模糊，價錢也較為昂貴[11]。

1.2 聚乙二醇馬來酸檸檬酸鹽

聚乙二醇馬來酸檸檬酸鹽(PEGMC)，是一種檸檬酸(CA)衍生的原位交聯可生物降解聚合物，該聚合物主要由馬來酸(MA)、聚乙二醇(PEG)、檸檬酸(CA)三者合成而來。PEGMC在體外表現出優異的細胞和組織相容性，其降解產物的毒性較小。PEGMC與其他生物材料聯合制成的復合材料可用于骨科修復、創面修復、藥物傳遞等領域[12-14]。Tran等[15]研發了一種主要含有PEGMC的聚合物iDEEP，該聚合物分為A液與B液，其中A液為PEGMC，B液中主要含有胃黏膜保護藥瑞巴派特。當AB液混合時，黏膜下注射的液體會固化，并且釋放瑞巴派特，起到一定的胃黏膜保護作用。iDEEP作為黏膜下注射液，注射效果好于0.4%透明質酸，iDEEP-A液的注射難度與透明質酸相同，而AB液混合后4 min才能完全固化。

2 天然材料及其衍生物

2.1 多糖類

2.1.1 殼聚糖

殼聚糖是甲殼素脫乙?；纬傻奈镔|，主要存在于貝類等軟體動物的外殼或節肢動物的外骨骼[16]。殼聚糖作為甲殼素脫乙?；漠a物，不能完全溶于水。殼聚糖具有高黏著性、止血、抗菌、低毒性等優點[17]，只能在酸性條件下溶于水，不能直接作為生物材料用于醫療。殼聚糖的衍生物改變了殼聚糖原有的性能，增加了殼聚糖的生物相容性、抗菌性、不同pH值下的水溶性，可作為傷口敷料[18]。殼聚糖衍生物也可用作黏膜下注射劑，Yoshida等[19]、Ishizuka等[20]研發的光交聯殼聚糖衍生物，殼聚糖游離氨基上結合了2%乳糖基團和2.5%的光反應疊氮基團，使殼聚糖能在中性PH值條件下完全溶于水。光交聯殼聚糖在紫外照射過后，能形成完全不溶于水的水凝膠，該水凝膠用于黏膜下注射效果較好。光交聯殼聚糖需要紫外光照射才能形成凝膠，但紫外光照射不均勻時則較難使所有部位完全凝膠化。

2.1.2 海藻酸鹽

海藻酸鹽(SA)是一種甘露糖醛酸與古羅糖醛酸組成的共聚物。SA主要存在于褐藻、假單胞菌中，SA與殼聚糖[21]、聚丙烯酰胺[22]等材料復合使用可作為一種傷口的敷料并能起到很好的止血和促進傷口愈合的作用。SA具有促進傷口止血和愈合的作用，其毒性低且遇Ca2+能形成彈性凝膠。SA的安全性很高，作為黏膜下注射劑具有一定的可行性。目前的研究證明，0.6%～4%的海藻酸鈉黏膜下注射效果均優于生理鹽水，其中0.6%的SA注射后隆起高度持續時間均明顯好于0.4%透明質酸，而注射難度低于其他濃度的SA溶液和0.4%的透明質酸。0.6%成為黏膜下注射SA的最佳濃度[23-25]且不會造成組織損傷。Uemura等[26]將0.6%SA應用于胃和食管腫瘤行ESD術的患者，發現對比0.4%透明質酸，0.6%SA的有效率明顯提高。0.6%SA對于較大較深的腫瘤切除率好于0.4%透明質酸，并且二者超80%的患者無需二次注射，且SA可降低術中患者出血率。

2.1.3 透明質酸

透明質酸(SH)是一種最早從牛眼睛玻璃體中提取出來的酸性黏多糖，由D-葡萄糖醛酸及N-乙酰葡糖胺組成。SH主要用于眼科、整形外科以及骨關節炎的治療，具有高保濕、促進細胞損傷修復、生物相容性好等特點[27]。高濃度的SH具有一定的彈性和黏附性。Yamamoto等[28]確定了SH最佳的注射濃度為0.4%，臨床常用0.4%的SH作為黏膜注射液。0.4% SH是目前臨床上應用最為廣泛的替代生理鹽水的黏膜下注射液，其黏膜下注射難度低，隆起效果好，切除有效率高。但SH原材料中提取較少，價格昂貴，限制了其作為黏膜下注射液的進一步發展。

2.1.4 纖維素

纖維素是天然高分子化合物，常存在于植物的細胞壁中，不溶于水，在水中會發生一定程度的溶脹。纖維素發生酯化、醚化等反應形成纖維素衍生物，能溶解于水并具有黏連性，常用作藥物輔料起到藥物增稠賦形、控釋緩釋等作用[29]。

羧甲基纖維素鈉(SCMC)是一種纖維素羧甲基醚，溶于水中可形成高黏稠度液體，常作為增稠劑應用，具有一定的安全性，目前未證明其對動物有毒性，SCMC還可預防術后黏連[30-31]。SCMC的水溶液可以作為黏膜下注射液，能夠形成持久的較好的下墊，剝離后可見黏膜下明顯的血管，很少出現出血穿孔的情況，使ESD手術操作變得簡單。研究表明，SCMC最佳注射濃度在1.5%～3.0%， Yamasaki等[32]最早使用2.5% SCMC行黏膜下注射，使用18G穿刺針進行注射，隨后發現1.5%、3.0% SCMC形成的黏膜下墊厚度相似，效果相同，但1.5%的注射難度較小，因此1.5%的注射濃度為最適宜注射濃度[33]。SCMC水溶液作為黏膜下注射液，黏性較高，能在ESD術后停留在創面，降低其術中和術后出血率。

羥丙基甲基纖維素(HPMC)是一種纖維素混合醚，易溶于水，在一定溫度下能形成凝膠，其黏稠度越高，水溶性越低。HPMC溶液具有一定的黏彈性并且價格低廉易得，能替代SH用于眼科治療或者藥物運載材料[34]。Feitoza等[35]首次證明0.83%的HPMC使用球囊注射器注射形成的下墊能持續45 min，并且1周后觀察黏膜下組織損傷很小。在此基礎上，Arantes等[36]發現，使用0.4%的HPMC行黏膜下注射也具有一定的可行性，不會造成組織損傷，且注射難度低于0.83%的HPMC。HPMC作為黏膜下注射劑具有和SH相同的效果，且價格遠比后者便宜，但HPMC存在潛在的抗原抗體反應[37]，相對于其他黏膜下注射材料，HPMC不具有太大優勢。

2.1.5 淀粉

淀粉是植物經光合作用形成的多聚葡萄糖的高分子化合物，不溶于水、無毒、具有吸濕性，將溶于水的淀粉加熱后能形成糊狀物。淀粉經過酯化和醚化反應形成的衍生物具有較好的溶脹度和黏稠性。

羧甲基淀粉(CMS)是淀粉羧甲基醚，應用于胃腸道藥物的輔料。CMS的自組裝現象和氫鍵離子化作用，使其遇水能溶脹形成凝膠[38]。EndoClot?SIS多糖注射液正是以CMS作為多糖粉，溶于生理鹽水，注射在胃黏膜下，最終凝膠化，能夠保持一個持久的、提升較高的黏膜下墊，且組織未出現損傷[39]。CMS便宜易得，但在混合注射時需要專用的注射器進行注射，目前EndoClot?SIS尚未在臨床上使用，具體臨床應用效果有待于今后的報道。

羥乙基淀粉(HES)是將天然支鏈淀粉羥乙基化形成的一種淀粉衍生物，廉價且安全。該溶液澄清且帶有黏性，可治療和預防血容量不足，用于稀釋等容血液。HAES滿足黏膜下注射液的基本要求，能形成具有黏性的膠體液。在 Fasoulas等[40]研究中，6%的HES溶液用于內鏡黏膜下切除術，黏膜下注射能形成持久下墊，易于手術操作，減少手術時間且安全性較高。將多種注射液用于ESD術中，比較發現6%的HES溶液在形成隆起的效果方面與Eleview相同，優于高滲葡萄糖和HPMC等注射液。

2.2 蛋白類

2.2.1 明膠

明膠是一種由動物皮膚、骨、肌膜等結締組織中的膠原部分降解而成的白色或淡黃色、半透明、微帶光澤的薄片或粉粒，是天然高分子材料之一。明膠可降解，溶于熱水中能吸水溶脹。常用在止血、緩釋材料、組織修復、血液替代等多個方面[41]。

琥珀酰明膠(SG)作為一種改良的明膠，將明膠中N12基團用琥珀酸酐替代[42]，使之電解質與pH值更適宜，因其對血液凝血效果影響較小，安全性較高，目前主要用作血漿替代品起到擴大血容的作用[43]。因SG具有一定的黏彈性，Moss等[44]首次在豬結腸上將其作為EMR術的黏膜下注射液進行實驗研究。與普通生理鹽水相比，SG黏膜下注射時，切割范圍更大，術中未出現延遲性出血，但出現了穿孔的現象，術后10 d觀察未發現有炎癥反應，具有一定可行性。Moss等[5]在患者身上使用SG行黏膜下注射，注射壓力較小，減半了內鏡切除術(ER)的操作時間，提高了操作效率。部分患者對SG存在過敏現象，雖然黏膜下注射的量較少，但也存在部分患者手術中突發低血壓的現象。

2.2.2 彈性蛋白

彈性蛋白是一種細胞外基質蛋白，主要存在于動物結締組織中，不溶于水，具有彈性、延展性，應用于組織工程支架和真皮替代物等方面[45]。

彈性蛋白樣多肽(ELPS)是一類由彈性蛋白衍生的人工重復多肽，內含5種氨基酸，即纈氨酸-脯氨酸-甘氨酸-纈氨酸-甘氨酸(VPGVG)重復序列。ELPS具有熱響應性，在溫度升高時可疏水自締合，從液態轉變為凝膠態，并具有一定的黏彈性，可以通過用其他氨基酸替代其5肽重復序列中第4個氨基酸纈氨酸來改變其躍遷溫度(Tt)，即由溶到不溶，由液態轉變為凝膠態的溫度。ELPS具有很好的生物相容性，能滿足黏膜下注射液的要求[46-47]。Liu等[48]通過改變ELPS的躍遷溫度，使其低于人體溫度37 ℃，從而實現黏膜下層注射凝膠化，形成持久下墊，形成的隆起效果好于SH，而價格比SH低廉。高濃度ELPS注射難度較高，濃度為500 mmlo/L的ELPS注射難度較低，與甘油果糖相同，且操作時500 mmol/Ld的ELPS可以很好地分離固有肌層與黏膜層，因此操作起來比甘油果糖速度更快，可有效降低術中穿孔率。目前，ELPS的研究尚且處于實驗階段，還未進入臨床應用研究階段。

2.2.3 纖維蛋白

纖維蛋白原是纖維蛋白前體，是血液中的糖蛋白，具有良好的止血作用，與凝血酶混合形成的纖維蛋白膠，能用于ESD術后潰瘍出血的治療[49]，纖維蛋白原混合物(內含纖維蛋白原、靛藍胭脂紅、生理鹽水與腎上腺素)具有一定的黏連性，有微血管止血作用，在EMR手術過程中血液外滲較少，使得視野較為清晰[50]，纖維蛋白混合物雖然在手術過程中能起到一定的止血作用，但形成的隆起效果一般，作為血漿制品價格昂貴，也存在傳染病風險[51]。

3 復合材料

3.1 泊洛沙姆188與泊洛沙姆407復合材料

泊洛沙姆407易溶于水和95%的乙醇，其中聚氧乙烯在共聚物中占比為70%左右，其水溶液具有反向熱凝膠作用，其形成凝膠的溫度較低，25 ℃時形成凝膠的濃度在20%左右[52]。由泊洛沙姆407與泊洛沙姆188組成的熱敏二原水凝膠，在25 ℃～30 ℃能從液態成為凝膠肽。Zhu等[53]的研究在于尋找二原凝膠中泊洛沙姆407與泊洛沙姆188的含量配比，結果證明泊洛沙姆407與泊洛沙姆188含量配比為17%:0.5%時，注射壓力小于其他含量配比的二原凝膠，但目前尚未進行臨床實驗。

3.2 聚乳酸-乙醇酸與聚乙二醇復合材料

聚乙二醇(PEG)是環氧乙烷和水或乙二醇聚合而來的物質，易溶于水，形成黏性液體，常用于潤滑劑、栓劑、片劑等方面的制備[54]。聚乳酸-乙醇酸(PLGA)由乳酸和羥基乙酸兩個單體聚合而來，不溶于水，能形成黏稠液體，在高溫下能轉變成凝膠態，主要用于藥物輸送[55]。PEG和PLGA兩者均具有生物相容性，并且PEG與PLAG形成的共聚物可降解。聚乙二醇-(聚乳酸-乙醇酸)(PEG-PLGA)共聚物形成的凝膠中加入胸腺肽β4(球形肌動蛋白結合肽)作為黏膜下注射液用于食管ESD術，可以預防食管狹窄[56]。PLAG-PEG-PLAG本身具有親水性，通過改變其末端基團可以使其在一定溫度下轉變為凝膠態，從而制備成在人體溫度下成為凝膠態的三嵌段共聚物[57]。PLGA-PEG-PLGA因其熱敏性在臨床上常應用于組織工程、藥物輸送等方面。Yu等[58]研究通過調節三嵌段共聚物結構使其溶膠-凝膠溫度控制在33 ℃，在迷你豬胃中進行黏膜下注射，發現其隆起效果一開始與甘油果糖、透明質酸相同，但一段時間后隆起效果明顯好于其他兩種注射液，相關研究尚處于動物實驗階段。

3.3 透明質酸、硫酸軟骨素和泊洛沙姆407復合材料

硫酸軟骨素是共價連接在蛋白質上形成蛋白聚糖的一類酸性黏多糖，存在于人和其他動物軟骨中，其易溶于水，其水溶液具有黏稠性，臨床上常用于治療關節炎、預防心血管疾病[59]。透明質酸由于較高的成本，直接作為黏膜下注射液過于昂貴，可在透明質酸的基礎上添加其他生物材料。Fernández-Esparrach等[60]、Córdova等[61]將Norgine公司生產的有透明質酸、硫酸軟骨素和泊洛沙姆407等3種材料的復合材料Ziverel稀釋成50%、80%進行豬胃黏膜下注射的體內外實驗，結果顯示Ziverel能夠形成長久的下墊并且未發生組織損傷，使用此復合材料能夠安全進行EMR術，并不會影響早期愈合，但該復合材料中含有透明質酸，有誘發腫瘤的風險。

4 總結

目前黏膜下注射液中的生物材料主要分為合成材料、天然材料及其衍生物、復合材料。這些生物材料大多是一些藥用輔料、溶脹劑、血漿替代品、創面修復敷料。生物材料作為黏膜下注射液，具有較高的生物相容性，不會造成組織損傷，能彌補其他黏膜下注射液的不足，在此基礎上用于黏膜下注射的生物材料均能產生持久的黏膜下隆起，是良好的黏膜下注射劑。表1中羅列了目前應用于黏膜下注射的生物材料的信息，包括目前研究常用的注射針規格、應用的手術類型和器官、優缺點、安全性等方面。生物材料的應用目前仍然存在一些問題，例如價格昂貴、熱敏材料容易在注射過程中固化堵塞注射針、不能完全避免術中術后出血和術后穿孔的可能、應用器官單一等。應用于黏膜下注射的材料中，Eleview、海藻酸鹽、透明質酸、羥乙基淀粉等是目前應用較為廣泛且效果較好的黏膜下注射液，但Eleview、透明質酸價格過于昂貴，相比較而言，廉價的海藻酸鹽和羥乙基淀粉更有臨床應用推廣的可行性。其他黏膜下注射液中，具有較好的黏膜下隆起效果且價廉者目前尚缺乏臨床實驗，仍然需要進一步研究。

表1 各黏膜下注射材料對比