靜電噴霧制備多功能肝癌介入用栓塞微球研究進展*

杜青,李嬌嬌,楊鑫,陳星宇,趙彥兵,萬江陵,楊祥良

(華中科技大學1.生命科學與技術學院;2.國家納米藥物工程技術研究中心,武漢 430074)

世界衛生組織(WHO)國際癌癥研究署最新公布的《全球腫瘤流行病統計數據(GLOBOCAN)2020》顯示,肝癌(hepatocellular carcinoma,HCC)是全球范圍內第五大惡性腫瘤。2020年,中國約41萬例肝癌新發病例,占全球的45.3%,居全國新發癌癥病例的第五位,其死亡率僅次于肺癌,居全國第二位[1]。肝癌目前最有效的治療方法是手術切除,但由于其發病隱匿,大多數患者在確診時已屬于中晚期,90%以上患者由于腫塊巨大或晚期肝硬化而失去手術治療機會[2-4]。隨著介入放射學科的迅速發展,肝癌的介入治療因其手術的微創性、療效顯著且毒副作用小,成為中晚期肝癌的首選治療方案。

經導管動脈栓塞術(transcatheter arterial embolization,TAE)是介入治療的最重要基本技術之一,具體是指放射介入科醫師在影像設備引導下,超選擇性將導管插入病灶部位的供血血管內,并通過導管注入栓塞材料等物質從而切斷腫瘤的營養供給,導致腫瘤缺血壞死。通過栓塞,部分腫瘤可以得到根治,部分腫瘤可以實現瘤體縮小,從而延長患者的生存期,改善患者生存質量。肝癌的介入治療具有以下優勢:①微創性,采用經皮穿刺術建立導管通路,創口小,恢復快,可以多次進行介入檢查和治療;②對于不能一期手術切除的大腫瘤,經過介入治療,可以實現腫瘤降期,為最初不符合條件的患者提供二期切除機會,并減少術中出血量,縮短手術時間,提高腫瘤切除率,減少并發癥發生的機會;③可聯合多種治療模式進行協同治療,從而提高療效,例如經導管動脈化療栓塞(transcatheter arterial chemoembolization,TACE)、經動脈放射栓塞(transarterial radioembolization,TARE)、介入栓塞聯合射頻消融等[5-7]。

1 理想栓塞微球的五大要求

在肝癌的介入治療中,血管栓塞材料的栓塞效果直接決定了治療結果。常用的栓塞劑根據形態可以分為液體栓塞劑和固體栓塞劑,而栓塞微球是肝癌介入治療中最常使用的固體栓塞劑。通常在肝癌的介入手術中,首先通過經皮穿刺術將專用導管插入股動脈,然后在數字血管減影機(digital subtraction angiography,DSA)等醫學影像設備監測下,根據造影劑判斷血管走向,通過腹主動脈將導管推入肝動脈,最后超選至腫瘤附近。從股動脈到肝動脈,導管長50～60 cm,并且根據血管走向,導管存在多處拐角。因此,首先要求栓塞微球具有良好推注性,即具有光滑的外表和較好的彈性,這不僅能降低通過長導管時的阻力,而且可以擠壓通過拐角而不破裂。其次,由于微球是通過血管內的導管注入腫瘤部位的,微球的走向以及栓塞的起點和終點只能通過醫學影像設備來判斷,因此理想的栓塞微球應具有顯影性。第三,為了實現腫瘤各級血管的適形栓塞,徹底切斷腫瘤組織的血液供應,防止側支循環的建立,要求栓塞微球具有優良的栓塞性能,即要求栓塞微球不僅具有單分散的多種尺寸型號,能閉塞不同口徑、不同流量的血管,而且能夠達到短期、中期、長期栓塞的不同目的。第四,理想的栓塞微球應能負載多種功能物質,實現栓塞的饑餓療法與化學治療(化療)、放射治療(放療)、射頻消融等多種治療方式的聯用。第五,由于栓塞微球需要在血管中長期或永久存在,因此需要具有良好的生物相容性和安全性,無致癌和致畸作用,不產生炎性損害[8-10]。目前市場上的栓塞微球主要有非載藥聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)微球和藥物洗脫微球。它們雖有一定優勢,但仍存在許多不足,難以滿足臨床需求。筆者所在課題組采用靜電噴霧技術制備的多功能栓塞微球,在一定程度上能夠滿足理想栓塞微球在栓塞性、顯影性、載藥性、安全性和推注性等五個方面的需求,從而開發出新一代栓塞微球及其制備方法。筆者在本文將分別從上述五個方面介紹電噴栓塞微球優越性。

2 電噴栓塞微球在介入治療方面的特點

靜電噴霧技術(electrospray)是一種簡易的幾乎可以把所有高分子材料制備成直徑從納米到微米級別顆粒的技術。其作用原理是在高壓靜電場下,目標物質(電噴液)迅速產生大量電荷,電荷間巨大的庫倫斥力將電噴液逐級分裂成小液滴,小液滴固化后即可得到粒徑可控的顆粒。通過調整靜電噴霧的參數,可以得到不同粒徑的單分散微球。同時對基體材料和功能組分的合理設計能賦予栓塞微球各種功能,以滿足不同臨床需求[11]。下面將從五個方面比較基于靜電噴霧技術制備的栓塞微球和市售的栓塞微球,從而介紹電噴栓塞微球的特性。

2.1栓塞性 栓塞微球主要依靠機械性阻塞來減緩血管內血流速度,導致繼發血栓形成,從而堵塞管腔,起到栓塞作用。然而,現有微球栓塞劑的缺點之一是粒徑均一性差,導致栓塞效果差。市售栓塞微球一般根據粒徑大小分為不同型號,主要型號有100～300,300～500,500～700,700～900以及900～1200 μm等,每種型號栓塞微球都具有較寬粒徑分布范圍。栓塞過程中,同一型號中較小的微球栓塞劑容易從病灶部位血管泄漏出來,造成異位栓塞;而過大微球又會阻礙小微球進入遠端小血管,難以實現末梢栓塞[12-13]。PVA的不規則顆粒與均勻微球栓塞效果的對比研究表明,粒徑均一的微球能夠更深入地到達直徑較小的腫瘤血管,而不規則顆粒在較近的大血管中形成聚集體。因此,單分散的標準球形栓塞劑可以提高介入栓塞臨床操作的重復性和可控性[14-15]。

栓塞微球粒徑的不均勻性主要是由于其制備方法限制,如化學交聯、乳化法等[16-19]。采用微流控技術雖然能獲得均一粒徑微球,但由于其制備過程復雜,涉及分散相(水相)、連續相(油相)以及交聯用接收液,產量較低[18]。靜電噴霧技術的最大優勢是可以產生高質量、高度單分散和粒徑范圍可控的微球。DU等[20]基于靜電噴霧技術,以海藻酸鈉水溶液為電噴液來制備海藻酸基質栓塞微球。當電噴液被擠出噴頭時,由于表面張力的作用,聚合物液滴會懸掛在噴頭頂端形成大液滴。當施加高壓電場時,大液滴表面瞬間產生大量電荷。如果庫侖斥力和重力之和超過表面張力,大液滴將分裂成小液滴并滴入收集槽中。收集液中的大量二價金屬離子會迅速擴散到小液滴中,使其交聯固化,形成粒徑均一的微球。如圖1所示,當靜電噴霧電壓從24,14,10,5 kV降低到3 kV時,所得微球尺寸從(150±5),(230±8),(260±10),(780±27) μm增加到(1260±36) μm。通過調整電壓、噴頭尺寸、流速等靜電噴霧參數,可以獲得粒徑150～2000 μm的單分散栓塞微球,滿足不同部位各種口徑血管的栓塞需求[19-20]。該制備方法只含有水相,不使用任何表面活性劑,避免了復雜的洗滌過程,是一種簡單、環保的制備方法。此外,這種靜電噴霧制備方法,不僅可以制備海藻酸鈉、聚乳酸等可降解栓塞微球,還可以制備聚乙烯醇等不可降解栓塞微球,以滿足不同栓塞時間的需求[21]。

A.24 kV;B.14 kV;C.10 kV;D.5 kV;E.3 kV;F.不同電壓下電噴微球的平均粒徑曲線[19]。

2.2顯影性 大多數市售栓塞微球自身無法在醫學影像設備下顯影,這使得栓塞手術中的監控和術后復查較困難。在栓塞過程中,栓塞微球通常與含碘小分子造影劑一同注入導管,借助造影劑間接判斷栓塞材料在體內的導入和栓塞情況。患者常因此產生水腫、惡心、嘔吐等多種不良反應。由于栓塞微球為固體,造影劑為液體,造影劑與栓塞微球的混勻性有限且容易分離,影像設備下觀測到的顯影結果不能全面反映栓塞材料的真實情況,導致偏差。過量游離的造影劑也會對身體產生毒副作用[22-24]。此外,含碘造影劑(如碘海醇)在栓塞過程中易被快速代謝,顯影時間短。為了定位和跟蹤栓塞材料,以判斷介入治療的效果,每次術后復查都需重新血管造影。多次造影不僅增加醫療費用,而且大大增加患者痛苦。因此,亟需一種可顯影的栓塞微球。

根據顯影設備不同,自顯影栓塞微球可分為3類:X線顯影微球、磁共振成像(MRI)顯影微球、多模態(X線/MRI)顯影微球。介入治療一般采用X線數字減影血管造影機并輔助碘造影劑來識別腫瘤的供血動脈,評估血管通暢程度和栓塞終點。當X線穿過人體時,由于不同組織對X線的吸收率和透過率不同,經過顯像處理后即可得到不同灰度的影像。物質的X線質量吸收系數、密度和厚度決定了其在X線下的顯影強度。而X線質量吸收系數通常與原子序數成正比。因此,將碘(I)、金(Au)、鋇(Ba)、鉭(Ta)等原子序數較高的原子引入栓塞微球,可以實現微球在X線下的可視化。DU等[20]采用靜電噴霧技術制備了自顯影包裹硫酸鋇(barium sulfate,BaSO4)的海藻酸鋇(barium alginate,BaAlg)栓塞微球(BaSO4@BaAlg)。含海藻酸鈉和硫酸鈉的電噴液在電場作用下分散成小液滴,并與氯化鋇接收液發生交聯固化。原位生成的BaSO4顯影劑顆粒被正在交聯中的海藻酸鋇基質緊密包裹在其交聯網絡中。因為該造影劑與海藻酸鋇微球是同時形成的,顯影劑顆粒在微球中分布均勻且固定牢固。實現了造影劑(BaSO4)和栓塞劑(BaAlg基質)的一體化,影像設備下觀測到的顯影結果即為栓塞材料的真實情況,沒有任何偏差。此外,還解決了介入手術后的復查問題。用該微球栓塞大耳兔右腎動脈后,用電子計算機斷層掃描(computed tomography,CT)和數字X線攝影術(digital radiography,DR)對微球的栓塞情況進行復查。3周內,顯影微球清晰可見,其亮度及密度沒有隨著時間發生明顯變化,證明該微球栓塞牢固,沒有發生異位。該研究表明,BaSO4@BaAlg微球在X線下的良好能見度不僅有利于評價即時的栓塞效果,而且有利于對栓塞部位和療效的隨訪評估。ZENG等[19]采用一步靜電噴霧法制備了含有鉭納米粒(tantalum nanoparticles,Ta Nps)的海藻酸鈣(calcium alginate,CaAlg)微球(Ta@CaAlg)。Ta@CaAlg微球具有更強的X線可視性,其顯影強度與300 mg I·mL-1醫用碘海醇類似。因此,在不添加任何外源性造影劑的情況下,就可以清楚地觀察到微球的整個栓塞過程(圖2)。

DSA能精確顯示血管分布,清楚地了解血管病變范圍及復雜程度,大大提高了血管疾病診斷準確性,可為介入治療的精準性、安全性提供保障。然而,DSA也存在一些不足之處,如軟組織對比度低,大劑量輻射暴露等[25-26]。隨著成像技術的進步和發展,MRI受到越來越多的關注。該成像技術具有組織分辨率高、大視場、實時多平面3D成像能力和非電離輻射的優點,成為臨床重要的診斷方法。為了發展MRI引導的介入栓塞手術,需要研究與之配套的MRI顯影栓塞微球。將MRI造影劑(順磁性鑭系元素和超順磁性氧化鐵)引入栓塞劑是一種可行的方案。LI等[21]采用一步電噴法制備了包裹原位合成四氧化三鐵納米粒(ferroferric oxide nanoparticles,Fe3O4NPs)的聚乙烯醇栓塞微球(Fe3O4@PVA)。原位合成的Fe3O4納米粒不僅可以作為微球的MRI造影劑,還是PVA基質的交聯劑。由于超順磁性的Fe3O4具有較高的飽和磁化強度,因此在栓塞復查時Fe3O4@PVA微球具有良好的MRI可視性。腎動脈栓塞的體內評價表明Fe3O4@PVA微球具有良好的栓塞效果和增強MRI的能力(圖3)。利用靜電噴霧技術制備的單模態可視微球,尺寸均一可控,已成為制備可視微球的一種新興方法。進一步,基于該技術的多模態可視微球,將為術后示蹤微球的分布及觀察病灶的變化提供更多的選擇。

2.3載藥性 化療目前依然是臨床腫瘤治療的重要手段,但由于靜脈給藥時化療藥物靶向性差、毒副作用強,限制了其應用。介入化療栓塞是指栓塞劑與化療藥物聯用,在阻塞腫瘤血供的同時,對靶向區域緩釋藥物,從而實現持續局部化療和栓塞的雙重效果。將藥物置入微球中,以化學鍵和(或)物理吸附方式攜帶藥物,并與栓塞微球一起遞送到靶向部位,抵近釋放藥物,從而提高化療藥物的局部濃度,降低藥物對其他臟器的毒副作用,如胃腸道反應、惡心、嘔吐、食欲減退、血液毒性、急性膽堿能綜合征等[27-29]。近年來,利用栓塞治療與化療聯合治療腫瘤的方案,已被介入領域廣泛接受。所載藥物包括吡柔比星、表柔比星、博來霉素、吉西他濱、三氧化二砷、伊立替康等。ZENG等[19]將靜電噴霧制備的Ta@CaAlg栓塞微球通過靜電吸附原理負載正電荷藥物如鹽酸多柔比星,負載量達到97.3 mg·mL-1,高于商用微球的載藥量(25 mg·mL-1)。LI等[21]將靜電噴霧制備的Fe3O4@PVA栓塞微球通過溶脹吸附原理負載化療藥物鹽酸多柔比星,負載量達到35.2 mg·mL-1。

此外,隨著腫瘤協同治療概念的提出,越來越多的研究致力于采用多模式治療方案來提高治療效果,降低腫瘤復發率。肝癌的介入治療將不滿足于化療與栓塞聯用,更多治療方案協同治療已經成為目前的研究熱點[30-33]。除了通過對微球進行后處理完成藥物負載,隨著同軸靜電噴霧和乳液靜電噴霧技術的發展,各種功能性物質,如脂溶性和水溶性的小分子藥物、多肽、生長因子、基因、無機納米粒等都可以負載到微球內,實現栓塞與化療、熱療、射頻消融、光動力治療、化學動力學治療、免疫療法等多種療法的聯合使用,達到殺傷腫瘤細胞的目的,其應用前景廣闊。

2.4生物安全性 栓塞微球屬于三類醫療器械,要求其制備材料具有良好的生物相容性和安全性。目前市售栓塞微球主要分為生物降解型和非生物降解型。根據血管閉合時間長短,選擇適當的栓塞微球。短期栓塞材料,如淀粉微球,降解時間約35 min。中期栓塞材料有明膠微球(降解時間1～2個月)、海藻酸鈉微球降解時間(3～6個月)、聚乳酸微球(降解時間約9個月)。長期栓塞材料,如聚乙烯醇微球、磺基化或羧基化聚乙烯醇微球等。這些微球制備材料的生物安全性已經得到驗證。

圖2 Ta@CaAlg微球栓塞兔腎動脈過程X線圖[19]

圖3 兔左腎動脈以Fe3O4@PVA微球栓塞1周后冠狀位(左側)及矢狀位(右側)磁共振掃描圖(圓圈標記為左腎)

靜電噴霧技術主要通過電場力作用將材料制備成微米或納米級別顆粒,由于其制備過程簡單可控,功能性物質包載量大,適用范圍廣泛以及容易實現規模化生產等優勢,已廣泛應用于納米材料制造、精細編織和工業噴涂等領域。靜電噴霧過程除了對材料尺度的調節,也可以包含需要熱處理或者催化過程的化學反應,或其他更復雜的物理化學過程。本文討論的電噴栓塞微球主要采用靜電噴霧技術對材料尺度進行調節,而對材料本身的性質沒有改變。因此可以通過靜電噴霧技術將這些得到驗證的生物相容性好和安全性高的材料制備成粒徑均一的多功能栓塞微球。相對于化學交聯、乳化法、微流控等制備技術而言,靜電噴霧制備過程通常只涉及水相,不使用任何表面活性劑,使用的輔料較少,后處理過程簡單,避免了復雜的洗滌過程,這些可以進一步提高微球的安全性。

2.5推注性 栓塞微球由于其固態屬性,單純依靠機械性阻塞,栓塞后血管腔內易留有空隙,容易出現復通現象。同時,與液體栓塞劑相比,栓塞微球與導管之間的摩擦系數大,注射技巧高,難度大,易堵塞導管。對于畸形血管,微球易彌散,不均勻,無法實現鑄型性栓塞,導致栓塞效果不理想[34]。通過靜電噴霧技術制備的微球不僅粒徑均一,而且球體圓潤、彈性較好,可以減少微球與導管間的摩擦,提高推注性。隨著材料科學的進步和多學科的交叉融合,基于靜電噴霧技術制備的適形性微球成為可能,可以實現栓塞微球在異質血管中的適形性和致密性栓塞。進一步,還可以實現“固態栓塞微球-液態栓塞劑”的可逆按需轉化,以完成再生血管的栓塞。

3 總結與展望

靜電噴霧技術作為一種先進加工技術,在栓塞微球的研制中發揮著重要作用。臨床上對功能性栓塞微球的需求越來越大,通過該技術制備更理想的腫瘤血管栓塞劑仍需要科研工作者的努力。首先是開發不同材料的栓塞微球,以滿足不同栓塞時長的需求。其次是研制多功能栓塞微球。適形性微球可以解決微球栓塞性與流動性的矛盾,完成鑄型栓塞、異質血管栓塞等;優異的可視性微球,可以滿足多模態成像需求;具有高載藥量和多種功能物質負載能力的栓塞微球,不僅能實現化療藥物的抵近釋放,還能聯合射頻治療、放射治療、免疫治療等多模式協同療法,從而在臨床上成功實現提高抗腫瘤效果、提高腫瘤治愈率、延長生存期、改善患者生存質量的目標。