医疗器械全身毒性试验中肺的检查

王涵，许建霞，杨柳，何牧野，孙聪慧, ，赵纪兰，王春仁

1 中国食品药品检定研究院，北京市，102629

2 烟台大学，烟台市，264005

0 引言

全身毒性是医疗器械使用中的一种潜在的不良作用，可由材料或可沥滤物的吸收、分布和代谢到达不与之直接接触的人体部位而产生一般毒性作用以及器官及多器官系统效应。医疗器械产品的全身毒性试验在生物相容性评价中具有重要地位，常用的全身毒性试验主要包括急性、亚急性、亚慢性及慢性毒性试验。

肺是人体的呼吸器官，是机体进行气体交换的场所；肺具有分泌功能，参与肺表面活性物质、前列腺素、缓激肽等许多生物活性物质的合成、激活、释放、分解和转化；肺还可参与对外来物质的防御，肺内存在的丰富的酶系对外来化学物的生物转化（包括增毒和解毒作用）具有重要地位。在医疗器械全身毒性试验，尤其是重复接触全身毒性试验（亚急性、亚慢性及慢性全身毒性试验）中，肺是非常重要的检查器官[1-3]。

1 需考虑肺毒性的医疗器械产品

某些医疗器械产品由于其组成、性质及使用方式[4]而具有潜在的肺毒性的风险。而器械使用过程中与介质（如药物、血液等）相互作用时，从医疗器械中释放的可沥滤物[5-6]，包括灭菌残留剂、加工工艺残留、降解产物、溶剂、材料中的单体及添加剂等，也可能引起肺的损伤。因此对医疗器械性质及其可沥滤物的分析是判断其是否有肺毒性潜在风险的前提也是关键点。本部分列举两类可能需关注肺毒性的医疗器械产品以供参考，实际还要根据具体的医疗器械产品做具体分析。

1.1 带涂层医疗器械

为了便于操作、增强抗菌性能和减少凝血等并发症，亲水聚合物涂层被用于医疗器械产品，如血管内植入器械中。某些情况下，体内器械中的聚合物涂层会发生部分溶解及碎裂现象，产生涂层碎片或颗粒，它们会阻塞小血管、引起栓塞，并诱导组织细胞浸润和异物反应。这些碎片或颗粒可能通过静脉系统到达心脏和肺动脉，并在肺小动脉或毛细血管中沉积，之前的研究结果也显示肺是其优先累积的器官。显微镜下的聚合物栓子存在于血管内，由嗜碱性、层状和非折射元素组成，是不极化的。剥落的涂层聚合物也是一个在迁移的栓塞源，随着聚合物逐渐溶解，导致不稳定的缺血区或梗死区，可阻塞脑、肺、下肢的血管。栓塞可导致组织损伤、缺血和梗死，甚至与急性肺损伤、微血栓形成和肺梗死有关，在极少数情况下可导致患者死亡。因此，在临床前安全性评价中，对带涂层医疗器械的肺毒性应予以关注[7-11]。

1.2 含颗粒医疗器械

鉴于长期以来对进入体腔的微粒的系统性影响的认识，应该清楚的是，进入体内或体腔的任何固体、难溶或不溶颗粒都有引起体内异物反应的可能。以纳米材料为例，纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1～100 nm）或由它们作为基本单元构成的材料。医疗器械产品表面产生的形态学结构可以在纳米尺度内[12]，而医疗器械在使用过程中的磨损（例如骨植入物和牙科材料磨损）或降解也会导致纳米颗粒的产生。如碳纳米管因具有较好的柔韧性和拉伸强度而在很多需要高强度的医疗器械中应用，包括用于骨科或牙科植入的复合材料。通过气管内滴注方式研究碳纳米管肺毒性发现，碳纳米管在肺部沉积后可造成肺部的炎症、纤维化或肉芽肿。碳纳米管进入肺脏后会被巨噬细胞吞噬，吞噬后更多地沉积在肺泡间隔和肺泡腔内，引发肉芽肿反应。其损害机制可能与碳纳米管的物理化学性质有关，碳纳米管尺寸越小，巨噬细胞越难以将其快速清除[13]。纳米材料在体内的蓄积量大于清除量，则容易产生肺毒性。经呼吸道进入体内的纳米银、纳米羟基磷灰石等纳米材料均有肺毒性的相关报道。但纳米材料引起肺毒性的风险不是绝对的，需综合分析后下结论。其它含颗粒医疗，如有粉医用手套中的玉米淀粉润滑剂的吸入会增加接触者肺中噬酸性粒细胞，并伴随气道的炎症[14]。

2 影响肺组织病理学检查结果的非受试物因素

医疗器械产品的全身毒性试验，尤其是重复接触全身毒性试验中需进行肺的组织病理学检查。鉴于肺脏独特的解剖结构和复杂的细胞组成，非受试物因素也可能影响肺的组织病理学检查结果。对这些因素的理解与把握才能保证对受试物的科学判断。

2.1 样品浸提液制备方式

医疗器械产品全身毒性研究中常制备浸提液进行试验。笔者在实际工作中曾遇到过某聚烯烃材料在高温、高压浸提条件下制备浸提液后，连续尾静脉注射后样品组大鼠肺组织出现不同程度的异物炎性变性及肉芽肿形成的现象。经分析认为是与高温浸提导致受试物溶出的微小颗粒引起肺毛细血管栓塞有关。因此在进行样品浸提液制备时需考虑受试医疗器械的理化特性，了解样品耐高温、吸水、粉碎性、溶解性、溶出性等特性。浸提液通常不应该采用过滤、离心或其他方法来去除悬浮的粒子[15]，但某些情况下，却需论证后进行一些浸提液的后处理或选择更合理的浸提液制备方式。

2.2 麻醉及安乐死方式对肺的影响

某些动物麻醉及安乐死方法会产生特定的肺组织病理学变化，不应与受试物相关的组织病理学改变相混淆。举例来说，二氧化碳麻醉可能会在肺部产生局灶性、急性肺泡出血，且吸入二氧化碳引起的肺泡内出血的严重程度与肺腔内的浓度大致成正比。使用70%二氧化碳麻醉，虽然偶尔会在肺泡内引起小范围出血，但并不影响光显微镜下对大鼠肺形态的常规评估；100%的二氧化碳会引起大鼠胸膜下出血[16]。继发于巴比妥盐麻醉引起的喉和气管麻痹、过度流涎、喉麻痹也可引起肺的损伤。乌拉坦本身是一种多靶点致癌物，能引起肺部肿瘤，不宜作为术后（如应用植入途径进行医疗器械毒性试验研究时）需长期饲养的动物的手术麻醉用药[17-18]。

2.3 肺的固定方法

系统的取样和灌注对鉴别肺部组织病理学改变非常必要。不规范的灌注可能会导致肺泡塌陷、变形、肺泡结构破坏，甚至出现肺间隔增厚、细胞数目增多、出血、肺泡体积增大等现象。未灌注肺间质塌陷，这种情况下的肺泡组织和肺看起来与肺炎相似，在动物病理学方面经验不足或不够资深的病理学检测人员可能发生对未灌注肺的判断错误。目前常用的肺脏固定常见方法主要有直接浸泡固定、气管内固定、肺循环固定、气管肺循环联合固定等[19-20]。用固定剂（常用10%福尔马林）[21]对肺进行充盈固定是一种公认的可改善肺组织结构观察的技术，气管灌注固定也是较常用的肺灌注方法。大鼠气管灌注固定剂可选择从胸腔内摘出肺或在原位进行灌注操作。有时，仅对一个肺叶进行充盈固定，多用针头和注射器轻轻从气管向肺内灌注固定液，待肺叶慢慢膨胀后扎进气管投入固定液中。也不建议肺的过度灌注，以免造成与肺水肿相似的血管周扩张[22]。

2.4 样品给予方式对肺组织病理学影响

医疗器械全身毒性试验中某些样品给予方式，尤其是尾静脉注射及灌胃，可能会对肺的组织病理学观察产生影响。通过尾静脉途径给予样品或其浸提液时，皮肤角蛋白和毛发片段被带入血液循环，沉积在肺部可导致由多核细胞和其他炎症细胞组成的肉芽肿性反应，这些异物栓子并不能随结束给予样品马上消失，再规范的操作也不能完全避免[23]。而多次且连续的灌胃操作，会使动物产生应激反应，有时会因动物的不配合或者实验人员的失误造成灌胃的液体由气管进入肺。随呛入次数的增多及时间的延长，会出现与灌胃相关的一些肺的损伤，组织病理学检查常见肺泡出血，肺泡腔及肺泡壁内有巨噬细胞，此外尚见多量中性粒细胞；当大量液体经气管误入肺时还会引起动物肺出血水肿、窒息死亡。灌胃引起的肺损伤与给予的受试物无关，无规律可循，但规范的灌胃操作可避免人为操作造成的误差[24-25]。

2.5 肺标本常见组织病理学背景病变

背景病变是一种在可接受参考范围内的一系列个体差异[26-27]。对背景病变的了解有助于研究者更好地对受试物的潜在风险做出合理判断。全身毒性试验中，大鼠肺常见的背景病变举例：①大鼠肺动脉矿化，病变部位包括动脉内膜下或管壁肌层内局灶或多灶性矿化；②大鼠肺内骨化生灶，这些小病灶通常由类骨质或骨组成，可显示早期矿化或钙化；③大鼠肺中偶见胸膜附带物，由延伸的胸膜组成，常含有诸如淋巴细胞等单核细胞；④大鼠肺泡内噬酸性晶体蓄积伴炎症细胞浸润；⑤大鼠肺巨噬细胞局灶性蓄积，在肺部组织随机分散[28]。

3 总结

肺是吸入有毒物质侵入人体的重要门户；应用于人体的材料中的可能引起肺损伤的物质也可随血液循环进入肺；有些医疗器械因其特殊的使用目的也会引起肺的损伤。肺是医疗器械全身毒性试验中重要的器官，在安全性评价中具有重要的意义。但必须注意的是，临床前在动物试验所得的结果未必能准确反映临床的真实情况。全身毒性试验虽然已经是医疗器械生物学评价中综合评价指标较多的试验项目，但还是不可忽略其局限性：不同物种、同物种不同种属或个体之间对于某一受试物的毒性反应可能存在差异；医疗器械产品的全身毒性试验采用较少动物且采用较高的给样量，设计的样品剂量组别较少，但受试物在动物体内可能呈非线性动力学代谢过程；全身毒性试验选用动物均为实验室繁育成年动物，无特殊要求下均选择健康动物。这样的试验结果难以预测一些在人体中发生率较低的毒性反应或仅在特异人群（如患某种疾病个体、对特殊物质敏感性极高的个体、儿童、老年人等）中出现的特异质反应；目前医疗器械产品全身毒性试验设计时一般没有恢复期的指标检测，对可能发生的迟发性毒性反应可能不能发现。

对医疗器械的生物学评价，也应该将重点从如何执行生物学实验转变为通过现有信息分析的方法来确定是否需要进行生物学实验，产品原材料的选择、材料的组成、加工过程中引入的所有成分，使用过程中可产生的可沥滤物都需要做好分析，结合文献评审、生物学评价、临床应用和接触评定获得的风险评估才是有价值的风险评估。