输尿管支架涂层的研究进展

郝伟玉

(太原市人民医院,山西 太原 030001)

输尿管支架自20世纪70年代在临床首次使用以来,已广泛用于解决上尿路梗阻问题,通过输尿管支架支撑作用,保持尿液引流通畅,但是长期留置支架,易产生细菌定殖,形成生物膜,引起肾盂肾炎、败血症等并发症,也容易结壳,从而导致支架梗阻、移位、引流不畅、断裂,造成置管失败。

1 留置输尿管支架失败的原因

1.1 支架表面形成生物膜

输尿管支架置入人体内24 h后取出,90%支架表面检测出有细菌定植。细菌定植的开始阶段,细菌和支架表面的粘合力是可逆的,亲水性和静电作用较弱,但随着时间的延长,这个亲和力越来越强,细菌最终牢固吸附在支架表面,而且会分泌表多糖物质,形成细胞外聚合物(EPS),再逐渐形成生物膜。随着细菌微生物群落繁殖,支架表面蛋白质和EPS增多,细菌分泌的表多糖层层覆盖生物膜,细菌层就相应被隔离。生物膜隔绝的细菌,不易受到抗菌药物干扰,易产生耐药性。生物膜中细菌最小抑菌浓度是悬浮状态细菌的1 000倍。生物膜的隔绝作用为细菌等微生物提供了温床,导致慢性感染。2019版的欧洲泌尿外科指南指出,当结石术后出现输尿管管壁损伤、结石残留、出血、感染、合并妊娠时,推荐留置输尿管支架1～2周,而细菌2周内就会发生定植,时间越长,感染概率越高,所以长时间低剂量使用抗生素,并不能降低感染风险,也不能预防尿脓毒血症。

1.2 支架表面结壳

支架表面形成生物膜后,细菌繁殖产生尿素酶,尿素酶将尿素水解为氨和氨基甲酸酯。氨离子偏碱性,导致尿液pH值升高,促进钙和磷酸镁离子沉积,使支架表面形成结晶体,最终形成结壳。9.2%～26.8%患者会在6周内结壳,47.5%～56.9%患者会在6～12周结壳,75.9%～76.3%患者会在12周结壳。无症状感染者在支架留置3～6周内,可观察到低浓度的厌氧菌,如奇异变形杆菌、产气克雷伯氏菌、摩氏摩根菌、肺炎克雷伯杆菌。结壳会影响输尿管蠕动,导致患者出现腰困、尿频等临床症状,甚至需提前取出支架。为减少支架不良反应,相关研究以减少细菌定植为主。使用涂层覆盖支架表面是目前的研究热点,以抗菌和防黏附涂层为主。

2 抗菌涂层物质

2.1 抗生素

将导管浸渍在含有抗生素的有机溶剂中,如环丙沙星、庆大霉素、诺氟沙星、呋喃西林等,溶剂挥发后,形成涂层。相比于银合金涂层,抗生素呋喃西林能够较好地抑制粪球菌、大肠杆菌、表皮葡萄球菌、铜绿假单胞菌等,抑制支架形成生物膜,且成本更低。但在动物模型研究中,呋喃西林容易引起乳腺和卵巢的肿瘤[1]。目前主流抗生素方案是洗脱类支架,它可以缓慢释放抗生素,常含有多种相互协同抗生素,而单独使用某种药物(比如利福平),则很快产生抗药性[2]。而抗生素的滥用和耐药性问题,已成为抗生素洗脱类支架研究的难点。

2.2 银

银是目前得到美国食品药品监督管理局(FDA)批准的少数抗菌剂之一,它的杀菌机制为损伤微生物细胞膜、影响铁离子合成和蛋白合成、降低细胞氧化应激能力。银的涂层目前有三种类型:银合金、银聚合物、银纳米粒子。使用纳米银-聚四氟乙烯聚合物(Ag-PTFE)涂层导管,与无涂层对照组导管相比,能够减少55.2%～60.3%细菌黏附,抑制生物膜形成的有效率为97.4%[3]。Gao等[4]使用金银纳米粒子包裹聚乙交酯-丙交酯,形成聚合体涂层,在16 d体外试验中,支架持续具有抑菌性、低毒性;在7 d动物体内试验中,导管强效抑制生物膜形成,减轻炎症,最后自行降解。尽管大量文献报道银是安全有效的抗菌剂,但因成本高昂,缺乏大规模对照试验,导致银涂层导管并未大规模应用。目前研究的方向倾向于使用银聚合物来减少毒性。

2.3 三氯生

低浓度三氯生可抑制细菌脂肪酸的合成,高浓度可通过影响细菌细胞膜和细胞质进行杀菌。该涂层不仅能够抑制细菌,也能够降低术后肾绞痛、尿痛、尿频和尿急症状发生率。将三氯生与水性聚氨酯物形成涂层共载物,能够明显抑制细菌增殖,阻断生物膜的形成,减少导管的结壳[5]。Henly等[6]比较三氯生、聚亚己基双胍、氯化苯甲烃铵以及银四种物质的大肠埃细菌的最低抑菌浓度、最低杀菌浓度、最小抑制生物膜浓度,结果显示,三氯生具有快速、良好的抗菌敏感性。而生物相容指数为聚亚己基双胍>三氯生>氯化苯甲烃铵>银,因此,三氯生使用舒适度良好。尽管三氯生应用前景良好,但因潜在细胞毒性和细菌耐药性,目前仍是FDA的观察药物。

2.4 抗菌肽

抗菌肽是一种小分子蛋白,一般包含10～50个氨基酸,主要是赖氨酸和精氨酸,可直接调节机体免疫功能,或者间接刺激机体产生抗体。抗菌肽抗微生物靶点较多:抑制细菌细胞壁的合成;抑制DNA,RNA以及蛋白质的合成;更改细胞膜的通透性;抑制酶的活性。抗菌肽的多点打击导致细菌几乎不可能出现耐药性。

Yao等[7]将锚定的贻贝多肽和抗菌肽以叠氮基形式组合,该涂层在体内和体外试验中都显示出良好抑菌和防结壳能力。Yu等[8]制成新型聚合物刷,将抗菌肽移出至支架表面,阻止EPS的形成。尽管体内实验效果显著,但抗菌肽聚合物刷具有局部毒性,对pH敏感,反复使用易对蛋白水解酶过敏,合成成本较高,从而限制其应用。

2.5 其他

季铵盐含有龙胆紫和氯己定新型杀菌剂,可制成洗脱支架。在体外培养条件下,使用2%季铵盐涂层,能够抑制多种阳性菌和阴性菌的黏附和增殖,抑菌时间长达1～2周。壳聚糖是一种天然阳离子物、生物可降解的多聚糖、弱性聚电解质物。一般认为它可以增加细菌细胞膜通透性,但具体作用尚不明确。因壳聚糖有易溶性,从而限制了其应用。为加强壳聚糖涂层的吸附和抗菌能力,研究人员将壳聚糖脂肪酸化,形成多肽链聚合物涂层,在体外细菌培养条件下,可明显抑制金黄色葡萄球菌[9]。而利用壳聚糖易溶性的特点,可制成自然降解支架,也可冷铸成多孔的壳聚糖涂层支架,与普通的8Fr支架相比,流体动力学性能提高17%[10]。肝素是经硫酸化的黏多糖物质,具有强大抗凝作用,也可抑制微生物的繁殖。肝素的涂层方法有三种:简单物理吸附、聚合物包裹、通过载体形成共价结合体。目前研究认为第三种方式效果佳。体内和体外实验中,使用肝素-L赖氨酸-铜形成纳米共价结合体涂层,可抑制奇异变形杆菌增殖和生物膜形成,支架上结壳(钙和镁)也随之减少[11]。动物实验中,将肝素制成可降解支架涂层,在48 h内可降低18%细菌感染率,同时并不影响支架降解速度[12]。

3 防黏附涂层

防黏附涂层通过在导管表面形成亲水隔断层,防止细菌黏附,阻止生物膜的形成。水凝胶是一种亲水性聚合物,可吸收大量水分子形成薄层结构,具有超滑特性,对机体刺激小。通过水凝胶形成支架聚合物,可以较好防止细菌黏附。Szell等[13]在体外实验中,将N,N-二甲基丙烯酰胺多(PDMMA)聚合水凝胶制成涂层,可有效防止细菌黏附,并且通过排斥细菌蛋白,能够减少约5倍细菌数量。Laurenti等[14]将水凝胶-氧化锌制成高分子聚合物,在偏酸和碱性环境中,锌离子也可以稳定释放。

聚乙烯吡咯烷酮(PVP)是一种亲水性聚合物,它可吸收自身重量40%的水分,具有超滑、防黏附的特性,可减少细菌黏附和繁殖。使用PVP交联的输尿管支架,与聚氨酯输尿管支架相比,组织相容性较好。

聚乙二醇(PEG)有聚醚结构,能够结合两个水分子,减少导管的摩擦系数,增加流体能力。聚乙二醇具有抑菌和抑制生物膜形成作用,它的缺点是锚定分子密度小,容易出现水解,尤其在温度变化时,易产生氧化反应。为克服这些困难,研究人员将一种新型物质3-4苯丙氨酸(DOPA)黏附在PEG表面,同时加入银离子形成共聚体,可减少细菌黏附,增强抗菌能力[15]。兔膀胱炎模型体内试验中,DOPA-PEG能够明显减少尿道内大肠埃细菌的数量[16]。

聚四氟乙烯是在研究含氯氟烃制冷剂时被发现的,拥有超强的疏水性,摩擦系数只有0.05～0.1,且可对抗细菌黏附的初始力,所以可抑制细菌增殖。使用纳米银-聚四氟乙烯聚合物涂层导管,不仅能够明显减少细菌黏附[3],也能延迟导管阻塞的时间[17]。但也有临床个案报道[18],因为其具有超滑性,输尿管支架回缩盘曲在输尿管上段,导致取管困难。

4 总结和展望

目前市场上涂层主要以银合金和抗生素为主,随着材料学的发展,不同材料相互聚合,并混合使用纳米等技术是今后研究的热点。目前涂层抑制抗生素的标准不统一,而临床的研究又相互矛盾,导致开发新型涂层相关研究的侧重点不同。由于导管的尿流动力学系数较少,使临床推广困难。目前尚没有开发出安全无任何并发症的支架,相信随着技术的不断迭代,相关标准的建立,输尿管支架涂层将会蓬勃发展。