骨关节内注射药物递释系统在骨关节炎治疗中的研究进展

周敏 王富友

陆军军医大学第一附属医院关节外科（重庆400038）

骨关节炎（osteoarthritis，OA）已成为导致中老年人残疾的第一大疾病。世界卫生组织报道，全球有超过10%年龄＜60岁的人患有OA，并且患病率随年龄的增长而升高［1］。随着我国进入老年社会，OA的患者越来越多，已成为中老年人的常见病和多发病，对其生活、工作造成严重的影响，是中老年人骨关节功能障碍和致残的主要原因之一，亟需加强OA的基础研究并提高现有医疗水平来治愈 OA［2］。

目前，药物治疗和手术是解决OA的主要手段。一般在患病之后，患者都愿意采用药物进行控制治疗，药物治疗分为口服给药与骨关节内（intra-articular，IA）注射给药，口服给药会导致胃肠道反应、肥胖、骨坏死等［3-6］不良反应，临床应用受限。当局部关节受累及OA对全身用药无反应时，骨IA注射给药是一种非常有效的手段［7-10］。

骨IA注射给药是一种直接将药物输送至病变关节发挥药效的给药方式，具有直接作用于靶关节、药物初始浓度高、总给药剂量降低、全身用药毒副作用小等优势，可降低治疗成本并提高疗效［11-12］。然而，骨IA注射给药后，药物会快速从骨关节腔内清除，导致治疗效果不佳。JONES等［13-14］在一项临床分析中发现骨IA注射给药后，药物在滑膜关节中停留时间短、限制了治疗持续时间，导致整体疗效下降。因此，研究骨IA注射给药后，如何延长药物清除时间，增加药物浓度，对于OA治疗具有十分重要的科学意义和临床实用价值。

药物递释系统在生物医学领域的快速发展，为OA的治疗注入了新的动力。具有良好生物安全性的药物递释系统在OA治疗应用中已经受到高度关注并展现出潜在的临床应用能力。将药物递释系统引入OA治疗，有可能克服制约骨IA注射给药的诸多难题［15］。目前，国内只有较少研究人员对骨IA注射药物递释系统的构建及其应用做了探究［10，16-17］，而骨 IA 注射药物递释系统的构建及其应用在国外已经成为研究热点，报道了众多不同类型的骨IA注射药物递释系统，并对其OA治疗效果进行了评估，更有研究人员对骨IA注射药物递释系统表面电荷，粒径大小和靶向性等进行了详细的研究，同时对比了OA治疗效果［11，18-19］。

因此，本文紧跟国内外研究热点，结合药物递释系统在OA治疗中的优势和潜能，概括了骨IA注射药物递释系统的构建和主要类型及其临床应用前注意事项。最后总结和展望了骨IA注射药物递释系统面临的挑战和发展前景。

1 骨IA注射药物递释系统的构建与常见类型

骨IA注射药物递释系统是药物与载体材料相结合，使药物通过扩散等方式输送到骨关节。其能够靶向关节，延长药物清除时间，增加药物浓度，从而提高OA的治疗效果。理想的骨IA注射药物递释系统应具有载药率高、包封率高、制备方法简单、良好的生物相容性、安全性、靶向关节和药物可控释放等优异性能。种类丰富的骨IA注射药物递释系统为OA的治疗提供了很好的机遇。常见的骨IA注射药物递释系统主要有以下4种。

1.1 微球（Microspheres） 微球是药物溶解或分散于高分子聚合物中形成的微小球体，粒径约1～200 μm。骨IA注射载药微球能实现药物在IA长效缓释，有效克服骨IA注射小分子药物的不足，对骨IA递释治疗药物具有十分重要的意义。骨IA注射载药微球在临床上优势突出，极具潜力且市场前景广阔［11，16，20-23］。因此，受到众多研究者的广泛关注。

GOTO等［24］研究制备了氟伐他汀（fluvastatin，FLU）乳酸羟基乙酸共聚物（poly lactic-co-glycolic acid，PLGA）微球（FLU-PLGA微球），并对其体外及体内骨关节治疗效果进行了评价。实验发现FLU能增强合成基因表达，能显著促进Ⅱ型胶原和聚集蛋白聚糖等合成型基因表达，同时能有效抑制基质金属蛋白酶-13（MMP13）基因表达，最后，体内实验表明骨IA注射FLU-PLGA微球治疗组尽管软骨表面有斑点原纤化区域，但总体完整，且蛋白多糖无明显丢失，Ⅱ型胶原蛋白含量显著增加；从而证实骨IA注射FLU-PLGA微球可实现FLU缓释，延缓OA进程，减少软骨退变。

JANSSEN等［25］通过骨IA注射塞来昔布（celecoxib，CLX）负载聚酰胺（PEA）微球（CLX-PEA微球）增强OA治疗效果。分别对OA诱导的雄性大鼠膝关节及其对侧健康膝关节进行IA注射CLXPEA微球，实验结果证实CLX-PEA微球是一种具有炎症响应性及生物安全良好的药物递释系统。另外，组织切片发现骨IA注射CLX-PEA微球后，具有良好的生物相容性，未见软骨损伤或滑膜增厚坏死，其具有良好的临床应用前景。

KO 等［26］制备莱菔硫素（sulforaphane，SFN）PLGA微球（SFN-PLGA微球）用于治疗OA，并对其体外、体内药效学进行评价。实验发现SFN-PLGA微球在体外具有良好的抗炎活性，能有效抑制环氧合酶-2（COX-2），解聚素-5（ADAMTS-5）和金属聚合酶-2（MMP-2）的表达；体内对手术诱导的OA大鼠骨关节内注射SFN-PLGA微球，实验结果表明SFN-PLGA微球使OA大鼠软骨损伤得到明显改善、推迟了关节的退行性病变。

ARUNKUMAR等［27］通过乳胶法制备依托考昔（Etoricoxib）负载聚己内酯（poly caprolactone，PCL）微球（Etoricoxib-MPs）。体外药物释放发现，Etoricoxib-MPs可持续控制药物释放28 d；对4只SD大鼠进行骨IA注射0.1 mL载药微球，PCL微球可在关节区保留近4周，可以延长Etoricoxib在滑膜区域的滞留时间，证实PCL微球是治疗关节腔的一种潜在的局部递释给药系统。此外，研究人员构建了用于骨关IA注射的纳米给药系统，相比微球，纳米粒子具有粒径小、比表面积大、结构稳定等优点，具有更好的应用潜能。

1.2 纳米粒子（nanoparticles） 骨IA注射载药纳米粒子能提高药物在IA停留时间，避免水溶性药物和生物活性分子被快速清除，提高治疗效果。纳米粒子作为骨IA注射给药递释系统对OA治疗具有十分重要的意义［10，17，28-32］。

GEIGER等［33］制备了胰岛素样生长因子-1树枝状纳米复合物（Dendrimer-IGF-1），经骨IA注射后，发现纳米复合物可将IGF-1靶向递送到软骨细胞，并能延长其治疗持续时间，使OA软骨穿透至少增强1 mm；同时Dendrimer-IGF-1纳米复合物增强了对软骨和骨的保护作用，减少了胫骨内侧软骨退变的总面积和宽度以及关节内骨赘的总体积。证明骨IA注射Dendrimer-IGF-1纳米复合物可以改善临床上OA的疗效。

KANG等［34］通过共价偶联制备KGN壳聚糖（chitosan，CHI）纳米（NPS）/微米粒（MPS），发现CHI-KGN纳米/微米粒体外缓释KGN可持续7周。人骨髓间充质干细胞经CHI-KGN纳米粒/微米粒诱导后，其软骨细胞标记物的表达显著增高，且经过CHI-KGN纳米粒/微米粒处理后的人骨髓间充质干细胞，长期培养后表现出明显的软骨生成特性，从而证实CHI-KGN纳米粒/微米粒可以作为一种骨IA注射给药系统来治疗OA。MAUDENS等［31］合成一种Cy7标记的纳米晶体-聚合物颗粒（nanocrystal-polymer particles，NPPs）。将 KGN-NPPs骨IA注射给药，发现KGN-NPPs对胫骨内侧软骨和外膜均有保护作用，能明显降低VEGF和Adamets-5的表达，相比自由的KGN溶液具有更好的生物活性。证明骨IA注射KGN-NPPs胶具有优异的OA治疗效果。同时，水凝胶相比纳米粒子具有更好的生物安全性，研究发现，水凝胶也可进行骨IA注射。

1.3 水凝胶（hydrogels） 水凝胶由亲水的聚合物链在水中发生交联后形成，水为主要分散介质，水凝胶能应用到多个领域。OA治疗方面，通过骨IA注射水凝胶可以实现增加药物在OA的停留时间及药物可控释放［17，35］。其优异性能激发了广大研究人员的研究兴趣。

MATSUZAKI等［36］制备雷帕霉素-胶束（rapamycin-micelles-hydrogels），体外药物释放实验发现rapamycin 24 h释药量约为50%，说明rapamycinmicelles-hydrogels能够延长药物释放时间；体内药效学评价，将小鼠随机分组为单纯hydrogels组、1μg rapamycin组、100 ng rapamycin-micelle-hydrogels组、1μg rapamycin-micelle-hydrogels组，分别进行骨IA注射给药，10周后免疫组化显示经rapamycin治疗的小鼠自噬阳性标记软骨细胞增多，16周后发现rapamycin-micelles-hydrogels组的组织学评分显著低于对照组，且1 μ grapamycin-micelleshydrogels组仍有延迟发生，表明rapamycin-micellehydrogels具有长效作用；PCR等实验分析发现rapamycin-micelles-hydrogels可抑制OA鼠软骨降解酶、炎症细胞因子和应激反应基因的表达。因此rapamycin-micelles-hydrogels骨IA注射给药可以作为一种新的OA治疗方法。

KANG等［37］通过共价交联制备聚乙二醇化（PEG）/KGN 微粒和透明质酸（Hyaluronic Acid，HA）/PEG/KGN水凝胶。体外实验发现，HA/PEG/KGN水凝胶相比于PEG/KGN微粒，显著延长了KGN药物的释放时间。体内软骨修复实验证明，骨IA注射HA/PEG/KGN水凝胶，HA/PEG/KGN水凝胶相比PEG/KGN微粒及HA水凝胶更能有效的抑制OA的发展及很好的保护软骨细胞。证明骨IA注射HA/PEG/KGN水凝胶具有良好的OA治疗效果。脂质体相比水凝胶具有优异靶向性和可生物降解，骨IA注射脂质体用于OA治疗具有重要意义。

1.4 脂质体 脂质体（liposoma）是将药物包封于类脂质双分子层内而形成的微型泡囊体。脂质体具有良好的生物相容性、靶向性、可生物降解且无毒。其介导的药物递释系统已被广泛研究［38-39］。骨IA注射脂质体能延长药物在骨IA作用时间，提高药物治疗效果，对OA治疗具有十分重要的意义。

DONG等［38］制备了liposomal CLX-HA并进行骨IA注射，与单独注射liposomal CLX、HA相比，liposomal CLX-HA的止痛效果最好，持续止痛作用可长达48 h；组织学评估发现兔OA模型单次骨IA注射liposomal CLX或HA都不能明显抑制软骨退变，而单次骨IA注射liposomal CLX-HA对软骨退变有明显的抑制作用。从而证实骨IA注射liposomal CLX-HA复合物更能有效缓解疼痛，防止软骨退变。

金纳米颗粒（gold nanoparticles，GNPs）由于毒性低、制备容易和抗氧化性等优点，在生物医学领域已有广泛应用。SARKAR等［39］制备了脂质体包裹的鱼油蛋白（Fish oil protein，FP）-GNPs（FPGNP-DPPC纳米粒子）。体外实验发现FP-GNPDPPC纳米粒子能促进HIG-82关节炎细胞凋亡；体内实验发现，骨IA注射FP-GNP-DPPC纳米粒子后能恢复小鼠血液中的凋亡标志物和白介素水平。证明骨IA注射FP-GNP-DPPC纳米粒子具有良好的OA治疗效果。

2 临床前应用注意事项

骨IA注射给药系统不仅能降低OA患者手术的风险、痛苦和经济负担，而且还能直接作用于靶关节、提高药物初始浓度高、减小总给药剂量以及减轻OA患者口服药物后导致胃肠道反应、肥胖、骨坏死等不良反应等。因此，骨IA注射给药系统具有十分重要的临床实用应用潜能。目前，PLGA@TA微球缓释制剂应用于骨IA注射已经通过安全性及药效临床二、三期评价，具有很好的临床应用前景［40-41］。骨IA注射给药系统应用于临床还需注意以下几方面的问题：（1）骨IA注射给药系统临床使用前灭菌。目前很少有对给药系统灭菌的研究报道，由于高温和过滤对给药系统都有较大的影响，γ射线可能是给药系统灭菌的主要方式。（2）骨IA注射给药系统临床使用前生物安全性评价。给药系统良好的生物安全性是其能够临床使用的前提条件也是必要条件，给药系统临床使用前需进行大量的体内外生物安全性评价。

3 总结与展望

OA是一种常见的致残性疾病，其主要给药方式包括口服给药、局部外用给药、骨IA注射给药。其中骨IA注射给药能有效减少给药总量，降低副作用，提高药物利用度等。但骨IA注射给药一个重要不足是药物的半衰期短。为弥补这一不足，药物递释系统受到了众多学者广泛的研究。如应用微球、纳米粒子、水凝胶、脂质体等药物递释系统进行骨IA注射给药。其中，微球能实现载体生物降解及药物缓释；纳米粒子粒径小、比表面积大、结构稳定，能实现药物缓释、靶向骨关节等性能；水凝胶生物相容性好、可生物降解、无毒性和无免疫原性，能实现药物缓释；脂质体具有良好的生物相容性、靶向性、可生物降解，可延长药物作用时间，明显提高治疗效果。但药物递释系统的安全性始终困扰着广大学者，减缓了药物递释系统在临床上的广泛应用，一旦药物递释系统的生物安全性，特别是纳米及微米材料的生物安全性得到有效的解决，定会给OA的治疗带来变革，药物递释系统的生物安全性必将成为一个重要研究方向。构建具有优异生物安全性的多功能药物递释系统和临床前药物递释系统的生物安全性评价及灭菌研究将会是未来的研究趋势。目前，生物安全性好的药物递释系统如外泌体，骨分泌的外泌体或者加载药物后的外泌体进行骨IA注射给药，可能会对OA具有很好的治疗效果。同时，构建具有靶向骨关节的药物递释系统也能有效提高OA治疗效果。