水凝胶制剂在宫腔粘连治疗中的研究进展*

曾薇薇,李存海,2,苏圣梅,胡旭华,余贵媛,金 平

(1.南方医科大学附属深圳妇幼保健院,深圳 518000;2.南方医科大学第一临床医学院,广州 510000)

宫腔粘连(intrauterine adhesion,IUA)是最常见的子宫内膜损伤疾病,严重破坏女性的生育能力。据文献报道,重度IUA患者的术后再粘连复发率高达62.5%[1],妊娠率仅25%[2],难以达到满意的治疗效果和妊娠结局,预后较差。随着材料工程的发展,具有可控生物活性的水凝胶制剂逐渐应用于IUA的治疗。水凝胶制剂可在体内自动降解,降低了二次手术引起的感染风险。水凝胶制剂或作为物理屏障,或包裹雌激素、细胞、细胞因子、外泌体等,作为药物输送和支撑系统,释放治疗成分。本文就水凝胶制剂用于治疗子宫内膜损伤和促进子宫内膜再生的研究进展进行综述,旨在为宫腔粘连治疗提供新的思路与方法。

1 分类

按来源,水凝胶可分为天然水凝胶、合成水凝胶和复合水凝胶三种。天然水凝胶由蛋白质和多糖组成,在子宫内膜形成、细胞生长和表型维持方面具有良好的组织相容性,但机械性能较差,降解性不受控制,如胶原蛋白、壳聚糖、透明质酸等。合成水凝胶可大量制备,在分子水平上通过聚合、交联和功能化修饰,但不能像天然水凝胶那样调节细胞间反应、生物识别和细胞诱导重塑,如聚乙二醇、N-异丙基丙烯酰胺、泊洛沙姆等。复合水凝胶则结合天然水凝胶和合成水凝胶特性,优化了水凝胶的性能,减缓分子或药物降解,促进治疗成分在受损部位的释放,如甲基丙烯酰明胶与聚乙二醇复合水凝胶等。

根据对外界刺激的反应,水凝胶可分为常规水凝胶(对外界环境刺激无反应或反应较低)和环境敏感性水凝胶。环境敏感性水凝胶具有感知外部环境刺激变化或信号的能力,包括温度、pH值、光和磁力等,在药物控制或释放系统中具有很大的应用潜力。在IUA的治疗中,温度敏感的水凝胶制剂尤其受欢迎,其具有良好的温度响应性,2～4℃时呈稀薄的液体,在人体温度下(37℃)迅速转化为不易流动的胶冻状,与常规水凝胶相比,能延长在宫腔内停留时间。

2 在宫腔粘连治疗中的应用

2.1 适应证和禁忌证 适应证:作为宫腔粘连的物理屏障或药物传递系统。禁忌证:对水凝胶制剂成分过敏;急性生殖系统炎症;恶性肿瘤;严重系统性疾病,如心、肺、肝、肾功能不全等;全身性疾病导致的异常子宫出血。

2.2 作为物理屏障 水凝胶制剂保水性能优异,体积膨胀而不溶解,有一定的弹性,与人体软组织的性质非常相似,具有可吸收、可降解和生物相容性等特性,在IUA治疗中可作为预防粘连形成的物理屏障。

透明质酸凝胶(hyaluronic acid gel,HAG)是IUA领域应用最多的水凝胶。HAG是一种聚合物黏多糖,除具有覆盖、封堵创面等物理作用外,还具有改善组织水化,增强细胞对机械损伤的抵抗力,减少创伤后肉芽组织和纤维组织的形成,抑制粒细胞迁移吞噬,减少血小板沉积等多种作用[3]。而交联后的透明质酸钠凝胶,黏度增加,降解时间延长,更为稳定。在大鼠IUA模型中,使用HAG作为物理屏障,可使子宫内膜再生和微血管密度增加,柱状上皮与腺体数量均恢复至正常水平,纤维化减少,宫腔形态恢复,妊娠率提高[4-5]。其机制为通过影响不同的基因谱来刺激子宫内膜上皮细胞的迁移[4],以及调控转化生长因子β1(transforming growth factor beta 1,TGF-β1)和Muc-4表达及其相互作用,抑制大鼠子宫内膜纤维化,促进胚胎着床[5]。

多项随机对照试验证实HAG能改善IUA的疗效:IUD+新型交联HAG组3个月后子宫内膜厚度明显增加(7.5mm)[6];Foley球囊+自交联HAG组预防术后再粘连的有效率较球囊组高(76% vs 48%),AFS总分显著降低,有效降低了中重度患者术后再粘连率[7]。此外,交联HAG还可显著降低IUA患者粘连程度,增加子宫腺体数量,改善子宫内膜容受性,提高胚胎移植的临床妊娠率[8]。

其它可作为物理屏障的水凝胶制剂包括壳聚糖、自组装双交联海藻酸钠/重组胶原水凝胶以及以双聚乙二醇n-羟基琥珀酰亚胺活性酯(Bi-PEG-SS)和明胶为原料的自修复水凝胶(P10G15、P10G20和P10G25)等。其中,P10G20具有抗氧化和黏接性能,能有效清除ABTS+、DPPH和羟基自由基,降低氧化应激反应,下调TGF-β1和血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF),减少纤维化,促进子宫内膜再生[9]。

2.3 作为药物传递系统 水凝胶制剂除了作为物理屏障,发挥止血、促血管生成、抗炎、抗氧化和抗纤维化等作用,还是诱导细胞生长、存活、分化和稳态的优良载体,有助于细胞分化和迁移[10]。因此,与普通药物治疗或干细胞治疗相比,水凝胶制剂作为药物传递系统,能提供足够的机械支持,改善局部微环境,提高给药效率,延长药物滞留和作用时间[10]。

2.3.1 雌二醇 17β-雌二醇(estradiol,E2)常被用于刺激IUA子宫内膜细胞的生长,但其在损伤部位的浓度较低。使用水凝胶包封E2,或制成聚甲基丙烯酸羟乙基(PHEMA)水凝胶与二氧化硅负载E2的复合物[11],能延长E2在靶向区域释放时间,使IUA大鼠子宫内膜腺体数量和纤维化面积均显著改善,抑制调亡,减少内膜纤维化,促进子宫内膜的再生,促进宫腔形态恢复。其机制为激活下游信号PI3K/Akt和ERK1/2,降低内质网应激诱导的凋亡蛋白的表达[12];激活ERK1/2和MAPKs p38通路,上调kisspeptin表达[13];上调Ki67、细胞角蛋白、雌激素受体β水平,降低TGF-β1、TNF-α表达[14],达到防止再粘连的效果。

2.3.2 生长因子 生长因子(growth factors,GFs)通过调节炎症反应、增强组织形成和诱导血管生成来刺激机体的自然愈合过程。添加水凝胶作为载体可具备较强的黏附和加速的药物释放能力,可长期稳定释放GFs[15]。脱细胞的猪子宫内膜水凝胶与GFs复合物、温敏性的肝素修饰的泊洛沙默水凝胶与角质细胞生长因子(keratinocyte growth factor,KGF)复合物[10]、成纤维细胞生长因子1(fibroblast growth factor 1,FGF1)-丝胶蛋白水凝胶[15]、胶原靶向碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)传递系统、表面负电位的亲水性水凝胶膜加载VEGF[16]以及含有多种生长因子的巯基化聚乙烯(PEG)、Cu2+和无细胞脂肪提取物复合物[17],均在动物实验中证实了子宫内膜修复作用。其作用机制可能为通过激活TGF-β/Smad通路抑制ESCs的纤维化,增强大鼠子宫内膜基质细胞的迁移和浸润能力[15];KGF参与自噬过程的激活[10];修复子宫内膜微结构,特别是增加子宫内膜足的数量,使子宫内膜细胞凋亡减少50%以上[17],从而促进子宫内膜细胞的增殖和血管生成,提高腺体数量和面积、细胞增殖指数,促进新血管发育,减少胶原沉积减少,改善妊娠结局。

2.3.3 间充质干细胞及其衍生物 间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSC)是起源于早期中胚层的成体干细胞,具有自我更新和多向分化的潜能。MSC来源广泛,从骨髓、脐带、胎盘、月经血和脂肪等组织中均可提取。如果通过静脉注射或子宫螺旋动脉注射途径,干细胞需跨越血管内皮细胞,趋向性迁移至目标组织并定向存活,称为归巢。然而MSC在子宫内膜定植数量有限,减弱了干细胞的再生效果。

水凝胶制剂作为干细胞的载体,使MSC直接作用于损伤部位,无需归巢,可提供足够的机械支持,并诱导细胞生长、存活、分化,延长干细胞作用时间;干细胞还可通过旁分泌作用,分泌多种生物活性分子,调节细胞增殖和凋亡,参与血管形成和受损子宫内膜的再生。

众多动物实验研究了不同来源的MSC对子宫内膜损伤的治疗效果:骨髓间充质干细胞(bone marrow-derived mesenchymal stem cell,BMSC)可与可降解胶原膜、弹性聚癸二酸甘油支架[18]、Pluronic F-127(PF-127)和维生素C[19]等组成复合物,通过分泌生长因子bFGF、IGF-1、TGF-β1和VEGF[18],使血管性血友病因子(von Willebrand factor,vWF)的表达得到恢复,同时降低IL-1β表达[19],诱导局部子宫内膜细胞增殖、迁移,促进血管生成,内膜增厚,腺体增多,纤维化区域减少,提高妊娠率。负载人脐带间充质干细胞(umbilical cord mesenchymal stem cells,UC-MSCs)的胶原支架[20]以及氧化透明质酸和酰肼接枝明胶复合物支架[21],可增强大鼠子宫内膜雌激素受体α(estrogen receptor α,ERα)和孕酮受体的表达[20],下调促炎因子(IL-1β和IL-6)、增加抗炎因子(IL-10)的表达,并通过激活MEK/ERK1/2信号通路诱导子宫内膜VEGF表达[21],改善了再生的子宫内膜容受性。负载人胎盘源性间充质干细胞(human placenta-derived mesenchymal stem cells,HP-MSCs)的交联HAG可使小鼠子宫内膜厚度、腺体数量和血管生成增加,纤维面积减少,着床率提高,其机制为通过激活JNK/Erk1/2-Stat3-VEGF通路促进子宫内膜基质细胞增殖,激活Jak2-Stat5和c-Fos-VEGF通路促进腺细胞增殖和迁移[22]。脂肪间充质干细胞(adipose derived stem cells,ADSCs)和PF-127水凝胶复合物,ADSCs与ShakeGelTM3D复合物[23]可降低TGF-β的表达,增加BMP7-Smad5信号转导,促进子宫内膜增厚,腺体数量增加,纤维化减少,提高生育能力。3D打印的人诱导多能干细胞来源间充质干细胞(human iPSC-derived MSC,hiMSC)支架,改善了内膜容受性功能指标,如pinopode、白血病抑制因子和αvβ3的表达,促进了子宫内膜基质细胞、上皮细胞和内皮细胞的再生,恢复了子宫内膜的胚胎着床和妊娠维持功能[24]。

3D打印构建的海藻酸钠-透明质酸水凝胶和双层子宫内膜结构复合物,上层是单层子宫内膜上皮细胞,下层是网状结构装载着子宫内膜基质细胞,该复合物模拟子宫内膜的天然双层结构和细胞成分,使子宫内膜腺上皮、间质、脉管系统和平滑肌层再生,显著改善生殖结局[25]。

部分MSC与水凝胶复合物也进行了临床试验,取得了一定疗效。Cao等[26]对26例复发性IUA患者进行了Ⅰ期临床试验,将负载UC-MSCs的胶原支架移植入患者子宫内,辅以球囊和激素治疗。3个月后,患者子宫内膜厚度增加,粘连评分下降,至随访结束时10例怀孕,8例活产,1例患者仍处于妊娠晚期,1例患者在妊娠早期自然流产。其机制为通过上调ERα、波形蛋白、Ki67和vWF表达水平,下调ΔNP63表达水平,促进了子宫内膜增殖、分化和新生血管的改善。Zhao等[27]将负载高密度的自体骨髓单个核细胞(bone mononuclear cells,BMNCs)的胶原支架移植到5例严重宫腔粘连患者的宫腔内,使子宫内膜再生,5例患者均成功活产。此支架可下调ΔNp63表达,逆转ΔNp63导致的病理改变,使干细胞性质恢复正常。

与直接应用干细胞进行治疗相比,基于干细胞衍生物的无细胞治疗,如外泌体[28-29]、分泌蛋白体间质细胞衍生因子[30]等,不仅具备干细胞的多种生物学特性,还具有易于穿透体内的多种生物屏障,稳定性强,致瘤性低,无需扩增,便于储存等优点,因而具有更高的安全性及便捷性,且规避了干细胞治疗伦理障碍。细胞和动物实验证实,干细胞衍生物与水凝胶复合物通过促进CD163+M2巨噬细胞的极性化,减轻炎症,并增加体内和体外的抗炎反应[29];下调TGF-β1诱导的波形蛋白、COL5A2、COL1A1的表达,逆转TGF-β1的纤维化作用[28],及内源性c-kit阳性干细胞被招募至损伤部位[30]等机制,促进创面恢复,可有效改善受损子宫内膜上皮细胞和基质细胞的功能,促进子宫内膜再生、血管形成增加、胶原蛋白重塑,恢复生育能力,具有广阔的临床应用前景。

3 总结及展望

综上所述,水凝胶制剂具有良好的黏附和抗菌性能,能为子宫内膜的修复提供足够的动态机械支持,有助于调节子宫内膜损伤部位的微环境,加速损伤修复,并可增强细胞或活性物质的缓释作用,延长在宫腔内的滞留时间;通过促进细胞增殖、分化和血管形成,促使子宫内膜的修复,防止粘连的发生,提高妊娠率。

目前,采用水凝胶制剂治疗IUA的研究仍为小样本量临床试验。为进一步明确水凝胶制剂应用的安全性和有效性,仍需开展多中心、大样本量的随机对照试验,同时探索其在子宫内膜修复中作用机制,进行多学科、多领域的资源整合与交叉合作,提高其生物活性和仿生性能,加快水凝胶制剂治疗IUA从实验阶段向临床转化。