近期，東華大學王璐教授和上海交通大學附屬第九人民醫院副主任醫師王一惟、達駿在科愛出版創辦的期刊 Bioactive Materials 上聯合發表研究文章：用于定制化醫療的納米纖維生物膠帶及輸尿管支架管。根據定制化醫療的需求，開發了一種自粘性的厚度為微米級的超薄納米纖維膠帶（Nanofiber Bio-tape, NFBT），創建了針對定制化醫療的術中載藥策略及基于“支架管-藥物-納米纖維膠帶”的多重緩釋結構的輸尿管支架管的模塊化載藥系統。
研究內容簡介
局部給藥可以保持藥物的原始分子結構，支持直接和精確地使用目標藥物。在下尿路系統，可通過導尿管將藥物灌入膀胱來實現局部給藥。但由于尿液的定向傳輸特性，藥物難以抵達上尿路系統。因此，在輸尿管支架管表面構建可控的藥物緩釋系統是術后泌尿系統治療的直接方案。除了局部用藥的要求外，“一刀切”的用藥方案也不適用于復雜的泌尿系統疾病。因此，亟須提出一種定制化的載藥方案，支持外科醫生在手術過程中根據手術視野和具體的臨床適應癥來決定藥物的種類和劑量。這就要求藥物負載應在術中進行，即在聚合物成型之后和支架管植入之前。然而，目前的藥物輸送系統不能同時滿足泌尿系統原位給藥和定制化治療的要求。傳統載藥植入物的制備方法是將藥物和高聚物同時溶解于有機溶劑中，去除溶劑后將藥物截留在高聚物基質中。在釋放過程中，水溶液可以滲入聚合物的孔隙緩慢溶解藥物，或隨著聚合物的降解逐漸暴露出藥物。藥物載體的制備技術包括3D打印、溶劑澆鑄和微納米膠囊等。所載藥物的類型和劑量通常在聚合物成型時既已確定，在使用中無法調整。本章根據定制化醫療的需求，開發了一種自粘性的微米級超薄納米纖維膠帶（Nanofiber Bio-tape, NFBT），創建了針對定制化醫療的輸尿管支架管的模塊化載藥系統及“支架管-藥物-納米纖維膠帶”的多重緩釋結構。然后，探究納米纖維膠帶與支架管的結合牢度，藥物遞送性能及釋藥機制，對材料的生物相容性進行評估。構建雌性白豬UTI模型，探究了納米纖維膠帶載藥模塊的體內釋藥效果和治療效果，并對其組織相容性、生物膜及結殼情況進行了對照分析。
一. NFBT 納米纖維膠帶的構建
靜電紡絲納米纖維生物膠帶（NFBT）可在靜電力作用下粘附于聚氨酯支架管表面，在一定壓力下卷繞，NFBT與支架管緊密結合，結合牢度高于NFBT本身的拉伸強力。
圖1. NFBT的形態和機械行為：(A)NFBT和US的加載策略示意圖；(B)NFBT潤濕前的SEM圖像；(C)NFBT潤濕后的SEM圖像；(D)NFBT的應力-應變曲線；(E)NFBT在拉伸試驗中的行為；(F)和(G)NFBT的結合強度
二. 體外載藥及緩釋結果
呋喃妥因（NFT）是一種典型的親脂性藥物，羅丹明B（RB）是水溶性的模型藥物，兩種藥物負載量分別為150mg時。NFBT-NFT在28天內表現出恒定的藥物釋放，與零階藥物釋放動力學一致（Mt/M∞=1.04236t，R2=0.9929；圖2（A）和（B））。藥物釋放72小時后，NFBT層之間的NFT結晶粉末保持均勻分布（圖2（D））。圖2(E)-(G)顯示，NFBT-RB的釋放行為明顯不同。在最初的24小時內，超過80%的RB被釋放，之后藥物的釋放速度減慢。在第三天，NFBT仍然保持著分層結構，而在橫斷面樣品中很少觀察到RB晶體。
圖2. NFBT-NFT和NFBT-RB的藥物釋放特性。(A)和(B)NFBT-NFT的長期和短期藥物釋放曲線；(C)NFBT-NFT在體外藥物釋放7、21、28天前后的圖像；(D)NFBT-NFT在第一天和第三天的SEM圖像。(E)和(F)NFBT-RB的長期和短期藥物釋放曲線；(G)NFBT-RB在體外釋放1小時、1天和7天后的圖像；(H)NFBT-NFT在第一天和第三天的SEM圖像。
三. 體內實驗
采用典型的輸尿管鏡手術經尿道將NFBT-CTL或NFBT-NFT裝載的NFT（150mg）植入豬的左輸尿管中。監測尿液中NFT的含量。圖3（B）顯示，NFT的濃度在植入后4小時（28.7±10.4微克/毫升）和24小時（9.4±2.3微克/毫升）之間迅速下降，此后緩慢下降到第28天的1.6±0.5微克/毫升。通過瓊脂平板計數法定期測定從植入的動物身上收集的尿液中的CFU數量。圖4(C)和(D)顯示，NFBT-CTL組的CFU計數在4小時內超過1×105/mL，到第28天時數值增加到1~2×106 CFU/mL。相比之下，NFBT-NFT組顯示出明顯的殺菌效果，直到第28天尿液中都沒有檢測到細菌。NFBT給藥的NFT總量只有150毫克，約為臨床口服劑量的2.68wt%。因此，在尿液中測得的藥物濃度遠遠低于口服量，可以得出結論，原位給藥系統實現了更高的藥物利用率。
圖3：NFBT-NFT組和NFBT-CTL組尿液分析：（A）植入方法示意圖；（B）檢測到的豬尿中NFT含量；（C和D）通過瓊脂平板計數測量的尿液中細菌濃度。***p < 0.001
植入聚氨酯支架管后的生物膜的形成和結殼被廣泛報道，常常導致尿路感染。在植入28天后取出支架樣品，確定表面生物膜的形成和結殼的程度。
圖4（A）顯示了從兩個植入組（NFBT-CTL和NFBT-NFT）的支架管部分和NFBT獲得的CFU計數。結果顯示，與對照組相比，NFBT-NFT的 CFU減少99%。在兩組中，NFBT上的粘附細菌都明顯少于支架部分。圖4(C)中NFBT-CTL的SEM圖像顯示，在支架部件的表面有大約1.6μm厚的殼狀結構。在這些結構中，可以觀察到聚集的細菌，表明該殼是由有機物、無機物和細菌組成的復合層。在NFBT組件上也觀察到類似的結果。雖然納米纖維表面沒有殼狀結構，但可觀察到細菌的廣泛分布。而NFBT-NFT組的生物膜形成和結殼現象明顯減少（圖4（D））。支架上殼狀結構的厚度（0.29微米）比NFBT-CTL組的要少80%，細菌的數量也顯著減少。這些結果表明，NFT的釋放可以抵御細菌的附著，從而防止支架上大規模生物膜的形成和結殼。
圖4. 支架各部分的體內生物膜的形成和結殼情況。(A) CFU細菌計數；(B) 表面元素分析；(C) NFBT-CTL的SEM圖像和EDS分析；(D) NFBT-NFT的SEM圖像和EDS分析。*P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001
為了評估NFBT或NFT可能引起的系統性毒性，在植入動物的血樣中監測了肝功能的關鍵生物標志物（圖5）。與初始值相比，肝功能的生物標志物（即ALT、ALT/AST、γ-GT和TBA）在整個觀察期沒有顯示出明顯的增加。ALT和ALT/AST表現出一些波動，兩組在第7天和第21天表現出統計學差異。然而，這些數值沒有超過最初的范圍，此后兩條曲線趨于一致，表明對肝臟的基本功能沒有重大影響。這些觀察結果也與輸尿管切片的組織學檢查一致（圖6（C））。肝細胞表現出正常的形態，沒有觀察到明顯的壞死、增生或淋巴細胞浸潤。
兩組的血液學分析也顯示對生理指標（即WBC和LYM，圖5）沒有明顯的不利影響。然而，在第7天和第14天，NFBT-CTL組的WBC和LYM水平明顯較高（與初始值或NFBT-NFT組相比），表明細菌入侵誘發了種植體周圍感染。相比之下，NFBT-NFT組的這兩個指標保持穩定，表明NFT的持續釋放可以抑制細菌感染。
圖5. 植入期間試驗動物血液主要指標。NFBT-NFT組和NFBT-CTL組之間的顯著差異用*（P<0.05），**（P<0.01）標記，與第0天相比，顯著差異用#（P<0.05），##（P<0.01）標記。
兩個留置支架（NFBT-NFT和NFBT-CTL）的輸尿管都有擴張和迂曲現象。植入28天后，NFBT仍然固定在支架的上部。圖6(C)顯示，兩組患者的左輸尿管過渡上皮都出現了一些腫脹（在HE染色的切片上顯示）。這在NFBT-CTL組更為明顯，上皮組織腫脹到50.67±11.5米的厚度，內部觀察到剝落的囊泡組織。對CD 3和CD 68染色組織的檢查顯示，NFBT-NFT組的T細胞和巨噬細胞的浸潤低于NFBT-CTL組（圖6（C））。由于兩組與左輸尿管這一區域接觸的材料都是聚氨酯，所以植入物引起的免疫排斥反應應該是一樣的。炎癥反應的差異可歸因于支架表面不同程度的感染、生物膜和結殼。還對直接與NFBT接觸的左輸尿管的上部進行了染色和觀察，以研究NFBT和NFT的組織相容性。圖7（D和F）顯示，兩組的結果與PUUS部分相似，NFBT-NFT組的上皮組織厚度為（35.6±7.8）μm，NFBT- CTL為（53.3±12.1）μm。這表明NFBT的組織相容性與PUUS一樣，局部高濃度NFT對組織的額外刺激和損傷可以忽略不計。對上皮組織厚度的整體分析見圖6(G)，發現NFBT-NFT組明顯抑制了炎癥程度，證明了NFBT作為局部給藥系統的治療效率。此外，與NFBT-NFT相比，NFBT-CTL的左腎出現了腎小管的腫脹和擴張。NFBT-CTL的膀胱上皮組織也顯示出較高水平的水腫、氣球變性和炎癥細胞浸潤（圖6（D和F））。對右腎和輸尿管也進行了檢查，在NFBT-NFT組也觀察到炎癥水平降低（圖6（D））。由于這些組織沒有直接與植入的支架接觸，可以排除排異反應，兩組之間的差異應該是由感染性因子誘發的炎癥造成的。因此，組織染色結果表明，NFT的持續釋放可以通過減少細菌入侵的程度來緩解整個泌尿系統的感染。
圖6. 泌尿系統的組織學檢查：(A)和(B)腎臟和尿路的一般觀察；(B-E)植入后28天的代表性HE、CD3和CD68染色切片(比例尺，100μm)；(F)輸尿管和膀胱上皮組織厚度的統計分析；(G)NFBT-NFT和NFBT-CTL組上皮組織厚度的顯著性分析。
四、結論
本研究制備了一種超薄的NFBT，并評估了其作為輸尿管支架管的自粘性藥物輸送系統的釋藥行為和相容性。NFBT的多屏障結構延長了藥物的釋放時間，親水性藥物RB可維持 7天的持續釋放，疏水性藥物NFT顯示出28天的零級釋放。使用豬尿路感染模型進行的體內實驗表明，NFBT具有良好的生物相容性、粘合性和持續的藥物釋放行為。由于NFT在泌尿系統中的持續釋放，尿路感染、生物膜形成和結殼的程度得到了明顯改善。
