水凝胶在治疗类风湿关节炎和骨关节炎中的研究进展*

崔璟怡，崔亚洲，赵燕

(山东第一医科大学 生物医学科学学院，济南 250021)

引言

关节炎(Arthritis)，尤其是类风湿关节炎(rheumatoid arthritis, RA)、骨关节炎(osteoarthritis, OA)等炎症性关节炎，在全球的发病率高。目前引发关节炎的具体病因及发病机制尚不清楚，且无有效的治愈方法。在关节炎的药物治疗中，常用的消炎药物有显著的副作用，易增加心脏病和其他心血管疾病的患病风险[1]。因此，关节炎患者迫切需要新的治疗模式以减轻不良反应。本文对近年来水凝胶在治疗类风湿关节炎和骨关节炎中的应用进行了归纳整理，并对其未来的研究方向进行展望。

1 水凝胶

1.1 水凝胶的发展

水凝胶是三维、不溶性的交联聚合物[2]，能够在膨胀状态下保留大量水和生物液体。按照来源不同，水凝胶可分为天然水凝胶和合成水凝胶，天然水凝胶的来源包括壳聚糖、透明质酸、明胶等，合成水凝胶的来源包括聚乙烯醇、丙烯酸、聚丙烯酰胺等。

合成水凝胶经过不断改进，已成为一种重要的医用生物材料。Wichterle等[3]在1960年首次合成了交联的HEMA水凝胶。由于水凝胶植入活体后，无刺激性反应，因此，开始被用于眼球摘除后的填充以及制造隐形眼镜等，并引起广泛关注。

传统合成的水凝胶的力学性能和静态性能差且无法完全复制细胞微环境[4]，已无法满足应用要求。20世纪70年代初，科学家们发现了能够对外界环境刺激做出响应的刺激响应水凝胶，该水凝胶可对许多刺激做出响应，包括温度、压力、光、磁场等物理刺激；pH、离子浓度等化学刺激；抗体、酶、细胞因子等生化刺激，显著拓展了水凝胶的应用领域。

第三代水凝胶对其交联方法进行了改进，利用物理相互作用(如包合络合、立体络合、金属-配体配位和肽相互作用等)的交联方式[5]，将物理相互作用与疏水等相互作用结合起来，改善了水凝胶的力学特性和释放特性，使其应用得到进一步的拓展。

目前，有机化学和材料化学等学科飞速发展，纳米技术、聚合物合成等被用于水凝胶的研究，极大地推动了水凝胶领域的发展，开发出了具有特殊结构和新功能的“第四代水凝胶”。

1.2 水凝胶在生物医学中的应用

水凝胶作为一种具有可控力学性能和生物相容性的新型生物材料，被广泛应用于组织工程和药物递送研究[6-7]，其不仅保留了所含纳米粒子的完整结构和功能，还具有工程灵活性。目前，水凝胶被广泛应用于药物控释，可将药物封装在水凝胶网络中来实现扩散、溶胀及控释。

对于一般药物递送机制，纳米颗粒制剂能够精确调节药物分子的时空分布。在部分疾病治疗中，当暴露在外部刺激下时，纳米颗粒会进行物理、化学变化，使药物能够在靶点优先释放。而在各种纳米生物材料中，水凝胶由于具有与软/硬组织相匹配的可调节的生物学、化学、物理和机械特性，可以模仿细胞微环境的许多方面，因此，在生物医学应用中具有巨大优势[8]。水凝胶在关节炎治疗中的应用，见图1。在实际临床应用中，其特性需要与其它物质组合来实现其功效[9-10]。

图1 水凝胶在关节炎治疗中的应用Fig.1 The application of hydrogels in the treatment of arthritis

2 水凝胶在关节炎治疗中的应用

2.1 水凝胶递送系统与类风湿关节炎

RA的病理生理学与免疫系统失衡导致中性粒细胞、巨噬细胞和淋巴细胞高度浸润，以及滑膜内衬细胞的增殖有关。抗风湿药物(DMARDs)是治疗类风湿关节炎的常用药物[11]，但常规DMARDs均有一定的副作用，如甲氨蝶呤、来氟米特和柳氮磺胺吡啶会引起胃肠道不适(恶心、腹痛、腹泻)、皮疹/过敏反应、骨髓抑制、肝毒性以及严重感染[12]。为缓解该情况、提高药效，研究人员改善了药物递送系统，建立了几种聚合物水凝胶[13]作为组织工程中生物活性物质甚至细胞的传递载体，其最主要的输送药物优势是可以改变药物药代动力学。

Chiang等[11]研究了一种关节内光热负载的可注射的甲基纤维素(MC)聚合物水凝胶载体，包括雷奈酸锶(SrR)和氯化钠(NaCl)。通过两种离子(NaCl、SrR)来调节溶胶特性，添加NaCl的水凝胶，其储能模量G′达104Pa，损耗模量也强于未添加NaCl的水凝胶，并且凝胶化时间随SrR浓度的增加而缩短。研究通过创建RA大鼠模型，在关节处给药，并在大鼠膝盖处进行近红外光谱分析，用体内成像系统 (IVIS) 测试体内药物释放。结果表明，负载有SrR的凝胶体系在测试的300 h内，缓慢持续释放SrR，而游离的SrR在100 h以内释放约75%。该凝胶系统通过活性SrR的持续长期释放，以抑制RA症状。该药物载体系统保持了细胞活力，并发挥了抑制炎症的功能。

为克服不良反应并提高地塞米松 (Dex) 在类风湿关节炎 (RA) 中的治疗效果，Wang等[14]开发了一种以壳聚糖-甘油-硼砂为载体的关节内注射地塞米松的温敏水凝胶 (DLTH)，来缓解炎症和疼痛。该水凝胶在室温下为液体，而在37℃时则变成均匀的半固体。该研究发现DLTH联合注射可通过下调NF-κb通路的转录活性来阻止滑膜炎症过程，而关节内DLTH可能通过调节炎症和疼痛传导过程来帮助RA疼痛的调节。

甲氨蝶呤 (MTX) 是治疗类风湿关节炎的一线药物，然而，因其溶解度和渗透性差、血浆半衰期短及生物利用度低，口服效果并不理想。此外，口服MTX还会导致黏膜溃疡、食欲不振、肝毒性和肾毒性等[15-16]。基于此，Qindeel等[17-18]采用水凝胶递送MTX来治疗RA，即采用基于MTX纳米胶束的水凝胶应用于RA小鼠。此方法相较基于脂质的MTX制剂用于透皮给药，稳定性更好。制备的聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯三嵌段共聚物的临界胶束浓度(CMC)为0.54 μg/mL，低的CMC表明制备的NMS的稳定性越高，以桉树油为促进剂的水凝胶系统的挤出性能测试为95.98±1.12，铺展度为(6.1±0.25) cm/s，保留时间为(8.15±1.65) h，适用于MTX的载药。实验表明，所制备的纳米载体系统使MTX在血液循环中的存在时间更长，拥有较高的生物利用度，比游离MTX更容易在RA关节中积累，提高了治疗效果。此外，与游离MTX相比，基于MTX纳米胶束的水凝胶显著降低了肝毒性，并且不会激活免疫系统，不仅为治疗RA提供了一个稳定、安全、有效的方法，还可减轻目前疗法的不良反应。

2.2 水凝胶药物与骨关节炎

OA的药物治疗在减少疼痛和改善运动功能方面有一定的效果，然而，非甾体抗炎药(NSAID)、曲马多和其他阿片类药物有严重的不良反应。对于有影像学证实的中度和重度疼痛OA患者，可以考虑关节置换[19]。对于早期或轻度OA的治疗主要为饮食、药物等方面的治疗，因此，降低药物不良反应及提高药物治疗效果尤为重要。对此，研究人员考虑将纳米材料水凝胶运用到OA治疗中，为OA的治疗提供新策略。此外，软骨缺损是OA的主要症状之一，而水凝胶是一类有弹性的生物材料，表面光滑，含水量高，有利于软骨再生[20]。

Lei等[21]提出具有自我更新水化层的可注射水凝胶微球(HM)可缓解骨关节炎。HM是微米级的球形水凝胶，包含三维交联的亲水聚合物[22-23]，其具有较好的可注射性和生物相容性，可通过滚动机制减少滑动界面的摩擦，是一种生物润滑剂[24]。脂质体(Lipo)的平均粒径为(102.3±35.2) nm，多分散指数为0.132，具有良好的分散性。对新制备的Lipo@HMS进行3 600 s的摩擦试验，测得其初始摩擦系数值约为0.04，随后下降并稳定在0.03左右，这表明Lipo@HMS能够持续润滑，在HMs中加入脂质体可提高药物输送系统的稳定性，利于局部药物输送和控制药物释放[25]。该实验利用基于透明质酸的雷帕霉素脂质体(RAPA@Lipo@HMs)，来减少关节软骨的摩擦，该脂质体可以通过增加自噬来维持细胞稳态，减轻关节磨损并延缓骨关节炎的发展。

Park等[26]进行了一种名为Cartistem的干细胞药物产品(即一种以培养扩增的异基因人脐带血为来源的间充质干细胞和透明质酸水凝胶组成的复合物)的首次人体临床试验。该药物应用在持久的软骨再生方面效果显著。目前对于骨关节炎中的软骨损失无有效的再生治疗方法，因此，研究人员认为基于干细胞和透明质酸水凝胶结合的药物产品可提供一种新的治疗选择，以再生骨关节炎中磨损的软骨。该实验招募了患有Kellgren-Lawrence 3级骨关节炎和4级软骨缺损的患者参加临床试验。在患者病变部位应用该药物，患者100 mm VAS步行疼痛评分从移植前的49.1提高到移植后24周的19.3，国际膝关节文献委员会IKDC主观评分从移植前的39.1提高到移植后24周的63.2(P=0.018)。对患者进行7年的随访结果显示，两项分数均无明显的恶化，治疗效果得到改善和稳定，且在7年中未观察到明显的不良反应。并且参与者在移植3年进行MRI评估，平均相对DR1指数为1.44，表明再生软骨中高糖氨基糖(GAG)含量与天然软骨相当。

Zheng等[27]利用甘油磷酸开发了一种高分子丝素蛋白与聚赖氨酸改性壳聚糖聚合物比例为2∶8的可注射水凝胶，在进行的动物模型实验中，负载有骨髓间充质干细胞的水凝胶术后12周的骨体积百分率达97.87%，证实其能够对关节软骨进行较好的修复。研究表明，用于骨缺损的水凝胶需要有较高的孔隙率，该水凝胶支架的平均孔径为(38.45±3.55) μm，能够为细胞粘附提供适宜的空间。此外，用于骨修复的水凝胶还要有较好的生物相容性[28]以及适宜的强度和降解速度[29]等。该水凝胶的压缩弹性模量约为25 kPa，压缩强度达80 kPa以上，能够保证支架结构的完整性，并为细胞生长提供初始的机械支持。该水凝胶在PBS溶液中模拟了在蛋白酶XIV和溶菌酶存在的条件下的降解，8周降解56.3%，具有良好的降解率，可为新细胞提供足够的生长空间。

OA易导致软骨缺损，而一旦出现软骨缺损，因组织自身的修复能力有限，且其中无血管、神经或淋巴组织存在，则不会明显地再生[30]。临床发现软骨细胞和骨髓基质细胞 (BMSCs)等细胞可用于修复自体软骨细胞和微骨折手术中的软骨缺损，因此，可将细胞负载于水凝胶中，然后将其植入病变部位，或者通过向受损部位注入水凝胶以促进周围的干细胞分化进行修复。基于此，开发以水凝胶为支架或传递因子来包裹软骨细胞并促进干细胞的软骨形成。由于水凝胶复合物提供的优良微环境，细胞的快速增殖可使细胞迅速占据水凝胶表面，从而通过细胞间互连诱导水凝胶自下而上自组装成大孔支架。在无外部刺激的情况下，原位形成3D多孔结构，有助于营养物质的有效输送，从而促进干细胞软骨形成，可以在体内形成肉眼可见的软骨组织[31]。水凝胶在RA和OA中的应用见表1。

表1 水凝胶在治疗RA和OA中的应用Table 1 Application of hydrogel applications in the treatment of RA and OA

2.3 水凝胶用于骨及软骨缺损治疗

3D打印技术近年来发展迅速，被广泛应用于医疗领域，如制造矫形器械[32]、医用支架[33]、建立药物递送系统[34]、体外模型[36]等。软骨缺损在临床上常通过关节置换进行治疗，但创伤大且费用高。水凝胶作为一种重要的医用材料，3D打印可以更精确地对其进行形态塑造。因此，在医疗领域发挥了重要作用，尤其是在RA和OA 等疾病及软骨缺损的治疗中。Zhu等[36]利用3D打印机打印了软骨细胞外基质和聚乙二醇二丙烯酸酯结合的PEGDA/ECM水凝胶支架。该支架的压缩模量为148.2 kPa，在体外PBS溶液中模拟降解，4周支架降解31.6%，具有的机械特性和降解特性可为软骨再生提供适宜的空间，并且在该水凝胶支架中加入的厚朴酚，能显著抑制TNF-α、IL-1β和IL-6的释放，对软骨再生具有明显的促进作用，能够用于RA、OA骨及软骨缺损的治疗。

相比于3D打印，4D打印的物品具有随时间而变化的性质，更具智能化，其打印的生物材料能够模拟组织动态特性，具有的动态变化特性能更好地贴近生物体的变化，有利于RA和OA的骨及软骨缺损修复。4D打印能够通过计算机编程，并利用材料特性进行各种形态的塑造，未来有希望用于RA和OA患者的个性化治疗。Ding等[37]开发了一种非均相单组分微片水凝胶(MFH)体系，将HMSC干细胞掺入到水凝胶中，载有HMSC水凝胶棒的“C形”软骨基本未发生形变，并且通过定量测定骨细胞外基质成分糖胺聚糖(GAG)的水平发现，其含量逐渐增加，可证明载有HMSC水凝胶能够有效地促进软骨再生。

3 讨论

对于类风湿关节炎，其治疗药物具有不同的作用模式，但临床最常用的传统抗风湿药物[38]常具有不良反应。因此，人们开发水凝胶相关的聚合体来改善药物递送系统，结合水凝胶的药物递送，可有效改变药代动力学，利于临床上控制药物的释放频率、作用区域(即释放地点)及延长药物在血液循环中的存在时间等。综合来说，水凝胶药物递送系统可在减轻患者痛苦的同时，提高传统抗风湿药物在治疗类风湿关节炎中的效果，但水凝胶药物递送系统的安全性、生物可降解性仍不明确，患者体内实验具有一定的个性化倾向，并且关于其pH敏感性的相关研究也较少。

此外，在骨关节炎治疗中，水凝胶作为生物润滑剂，可用来修复软骨缺损，但其在临床使用中还存在如何为患者选择最适合的药物，以及水凝胶生物材料如何与软骨更好地结合等问题。

4 总结

随着医学以及生物材料技术的发展，水凝胶纳米载体系统未来的研究工作可能着重于开发与其它生物材料组成的复合体作为药物载体，达到既可降低药物本身的不良反应，又可更加精确地控制药物运送到指定病变区域，并使药物释放的速度可控，甚至可以根据治疗效果自发地改变药物的释放速度，以实现个性化精准治疗。此外，水凝胶因具有类似软骨组织的特征，也被开发并应用于体外或体内修复软骨缺损。后续研究可能更加偏向于个性化治疗与精准医疗，实现根据患者不同受累位置、程度，或者其它病变情况定制个性化水凝胶材料，实施精准治疗，并取得更好的治疗效果。