药物洗脱支架的机制

第二节　药物洗脱支架的机制

一、药物洗脱支架的组成

DES在支架表面装载药物，使药物在支架植入的病变血管局部释放并发挥作用。主要由三部分组成：①支架系统；②药物载体：如多聚物载体、生物吸收载体等；③药物：如西罗莫司、紫杉醇等（图10-1）。这三部分必须协调地加以整合。其支架部分和普通支架完全一样。支架的表面有基本涂层，是多聚酯加药物的混合物，作用是携带药物至血管靶病变；有的药物支架其基本涂层表面有一层外涂层物质，它可作为弥散屏障直接接触血管内皮细胞帮助药物的均匀扩散，渗透入内膜组织（图10-2）。

图10-1　药物洗脱支架的组成

图10-2　药物洗脱支架结构示意图

药物洗脱支架将药物在支架植入处释放，药物可以释放入血液、血管壁内，进入血管壁细胞、斑块中和支架邻近组织中。优异的支架平台是DES的基石，是定点释放药物的平台。

理想的支架平台应该具备：①理想的几何构型以保证均匀的药物释放；②支架环面和血管壁贴合良好，即支架的顺应性良好，保证药物的释放；③改进的透视性能以精确定位；④保持侧支血管通畅；⑤优异的输送性能，以到达复杂的解剖学位置（最佳的柔顺性）等。实验证实，不同的支架丝厚度、不同的支架设计或不同的涂层和支架表面材料都会影响支架对血管损伤的程度和内膜新生的程度。一定要注意支架边缘设计使支架在释放时不会对血管造成太多损伤。理想的几何构型能在支架扩张时保持均匀的支架杆间距，即使在支架弯曲处也应如此。由于大多数用于防止再狭窄的药物是亲脂性的，因此释放后会残留在支架杆附近的组织内。闭合单元式的支架设计能保证这些脂溶性复合物有最小的释放半径和轴距，以获得最佳的组织内药物释放效果（图10-3）。由于药物完全依赖于支架杆和血管壁的接触，因此，支架必须能顺应凹凸不平和不规则的血管壁表面。图10-3中可见支架没有完全贴壁时在没有贴壁处血管壁药物浓度明显低于贴壁处。

图10-3　支架—药物的交互作用

二、药物洗脱支架的涂层材料

载体在DES系统中是最被低估的，人们对此了解也很少。多种不同合成或天然物质都已经被用作医疗药物载体。作为药物的载体，保证药物和支架紧密结合，并控制药物释放的速度和方向，对药物支架释放的疗效起重要的作用。多聚物涂层由重复短链组成的长链分子构成。多聚物材料有以下几种：

1.人工合成的聚合物用于载药的聚合物可以是生物降解性聚合物，也可以是非生物降解性聚合物。无论是何种聚合物，都要有良好的血液相容性。目前，最成功的DES是采用人工合成的poly-n-methacry-late和醋酸聚乙烯包被的雷帕霉素和多聚乙烯包被的紫杉醇支架。

2.生物材料在动物实验中显示，磷酸胆碱涂层不影响支架表面的再内皮化，与裸支架相比产生较小的内膜增生。磷脂胆碱涂层的Biodiv Ysio支架现在已经在临床应用，并且可以被多种药物吸附。

3.无机涂层物质最近进行无孔陶瓷涂层支架的临床研究。此外，正在进行的还有碳涂层的支架。

选择满足条件的多聚物涂层曾经是药物支架发展的障碍，van der Giessen等人曾经试验了8种不同的多聚物结合在支架上，然后将这些支架植入猪的冠状动脉体内，但是没有一种是满足条件的。目前研究最为深入的药物载体是完整包被于支架表面的薄层（小于20um）弹性生物稳定性的多聚物涂层。选择具有良好的组织相容性、不引起炎症反应的多聚物，成为药物释放支架能否发展的关键。多聚物涂层材料在经过消毒后和球囊扩张释放支架后仍然要保持其物理化学特性。其他的理想特性还包括可预测的药代动力学（时间和剂量）；不改变药物活性；不改变支架结构和操作特性；后期处理因素，如消毒、稳定性、效期和费用等。

三、药物洗脱支架的药物选择

筛选抗再狭窄药物的过程烦琐而艰苦，要对药物的多种特性进行评估，包括物理特性（分子量、水溶性、表面电荷等），体外细胞生长方式和洗脱动力学概况（在整合到药物载体上后）以及植入猪冠状动脉之后的效果（6个月）等。选择用于DES的药物通常具有确定的特性。目前理想的DES候选药物有多种作用机制，主要有4类用于DES研究的药物（表10-1）。

表10-1　治疗再狭窄的药物

1.抗炎药物抑制细胞因子和抑制血小板黏附和聚集的作用。

2.抗增生药物调节细胞增殖循环过程。

有两种不同的控制血管损伤后增殖的机制：一种是细胞静止途径，药物通过控制细胞增殖任何阶段的细胞周期来调节蛋白的调整和表达，从而达到控制细胞增殖。第二种是细胞毒性途径，杀死增殖的细胞，有导致坏死的缺点，会导致血管壁的薄弱。此类药物有雷帕霉素及其类似物、紫杉醇衍生物、tacrolimus和多种抗肿瘤药物（如抗线菌素D、长春新碱、阿霉素、长春碱、苏拉灭等）。

3.细胞移行抑制剂和细胞外基质调节剂抑制MMP的活性和抑制细胞因子。

4.加速受损血管重新内皮化的促进愈合药物与上述的抑制机体对损伤的愈合反应来防止再狭窄的药物不同，此类药物通过迅速促进愈合和内皮化来防止血管损伤后炎症和过度的内膜增生的触发。

其中，大多数制剂同时具有多种作用机制，同时抑制复杂再狭窄的多个机制。DES成功的药物重要特征包括：①在特定剂量时有明确的、针对性的作用机制；②有令人满意的释放药代动力学（径面和轴面分布）；③优异的治疗剂量窗（最佳治疗效果剂量和毒性剂量差异大）；④所使用剂量和现实剂量（应考虑到多个DES或DES重叠植入的情况）没有全身毒副作用并有良好的生物相容性；⑤可接受的后期处理因素，比如消毒后不改变药物活性，药物的长期稳定性和费用等。

另外，选择药物时还要考虑药物的物理化学特点，如可溶性、弥散性、分裂系数和蛋白结合力。如亲水性药物（如肝素等）可以很快浸入到组织中，但是清除也很快。为了保持血中的药物浓度，亲水性药物就需要持久有药物更长时间地传送。非亲水性药物弥散慢，因此，血液中会有较高的药物浓度。雷帕霉素和紫杉醇均是非亲水性药物，因此，药物较持久地留在血液中。无论是亲水性还是非亲水性药物，在动脉血管壁都形成药物梯度，但是非亲水性药物能更好、更均匀地分布在血管壁上。

虽然可以用于防止再狭窄的药物有很多，但目前临床上证实有效的主要有两种，即莫帕霉素和紫杉醇。

雷帕霉素是由Wyeth-Ayerst 1970年发现的一种大环内酯抗生素。体外实验证实，雷帕霉素可抑制平滑肌细胞的增生和迁移，降低血管损伤后的内皮增生。雷帕霉素与细胞FKBP12结合，拮抗其他的FKBP12阻滞剂，阻止TOR（雷帕霉素的靶酶）的形成。上调P27水平，抑制平滑肌细胞和其他细胞从增殖周期的G1期向S期转化，使细胞分裂处于静止状态，从而抑制细胞增殖。但雷帕霉素不破坏健康的细胞，在一定的条件下被抑制的细胞又可回复到正常的细胞周期（图10-4）。Cordis公司成功地将雷帕霉素包被于Bx Veloxity^TM支架上；形成CYPHER支架。在植入血管后，雷帕霉素通过洗脱方式释放于病变局部起到抑制再狭窄的作用。它是一种非平滑肌细胞选择性的药物，在阻止平滑肌细胞增生的同时也阻止了血管内皮细胞增生。在小型猪等动物模型的研究中发现，CYPHER支架具有很高的血液相容性，很少形成血栓。30天的随访发现，CYPHER支架在内膜的厚度及晚期管腔的丢失等方面均明显低于普通支架。基于动物试验的安全性和有效性结果，随后启动的一系列CYPHER支架的临床研究均显示了良好的结果，详见本书相关章节。

紫杉醇是从Taxus brebifolia树（一种太平洋树种）的树皮中提取出的一种物质。能通过阻止细胞周期终末阶段微管断裂而阻断细胞分裂，造成细胞死亡（图10-4）。它在不同的剂量下作用于不同的细胞类型而起不同的功能（图10-5）。紫杉醇低至1μg/mm²的剂量，既可以有效抑制增殖，又不影响内皮细胞生长或引起细胞坏死和纤维蛋白沉积。紫杉醇是脂溶性药物，容易透过细胞膜，能在短时间内达到较高的组织浓度，这是它作为支架涂层药物的一大优点。

图10-4　雷帕霉素及紫杉醇在细胞周期中

图10-5　紫杉醇不同剂量对细胞功能的影响

研究显示，紫杉醇能作用于触发再狭窄的多个环节，它可抑制：①细胞增殖：血管平滑肌细胞比血管内皮细胞对紫杉醇的敏感性更高，因此，在适当剂量下，紫杉醇能抑制新生内膜的形成而不影响内皮化过程。②细胞迁移：紫杉醇在低于其抑制细胞增殖所需剂量的10～100倍时就能抑制细胞迁移。③炎症反应：可以改变炎症细胞的活性。④细胞分泌：当细胞分裂时，它们能分泌细胞外基质，而这些机制正是新生内膜的主要组成成分。离体试验显示，紫杉醇能减轻细胞外基质分泌的过程从而抑制基质的形成。

四、药物释放支架的带药方式

药物可以通过共价键方式与多聚物涂层结合（如C-C键、S-S键等）或非共价键方式结合（如离子、氢键结合）。多聚物可以通过浸泡或喷镀的方式结合在支架上。药物支架带药方式可分为物理包覆法和机械镶嵌法。

1.物理包覆法将药物载体聚合物和被载药物通过溶解于有机溶剂达到共混，然后将裸露的金属支架经过此共混溶液的浸洗，将这种载药生物涂层覆在金属支架上。再经过简单的热处理将溶剂去除，就得到药物支架。在应用此药物支架进行治疗的时候，往往需要药物能够持续、高浓度地释放，为此要对药物的释放进行控制。为了达到这一目的，可以在载药生物涂层外面包裹一层聚合物涂层，通过一定方式控制药物分子的释放，使其维持一定的释放时间和在靶位维持一定的浓度，最终达到治疗目的。已经投入市场的美国强生公司生产的支架就是采用物理包覆法制备的。

2.机械镶嵌法就是在不用聚合物的情况下直接将药物包在支架上，在包住以前可以通过表面处理（如酸洗等），使金属支架表面变得不光滑，具有一些小的凹陷，如用经过双氧水处理过的金属支架就比没经过处理的金属支架表面要粗糙，这些小的凹陷使支架携带更多的药物。使用过程中，这些药物从支架上直接释放，但此种支架由于释放的时候不像物理包覆方法制备的支架那样可以达到一定程度的控制，因此药物释放所能维持的时间以及药物释放支架能达到的浓度能否满足治疗的需要，都需要做进一步的研究。

五、药物洗脱支架的药物释放方式

DES药物载体研究中一个令人关注的问题是如何精确地控制药物释放动力学。这取决于药物活性的特定机制，药物从载体上释放动力学应符合再狭窄阶段的病理生理学（图10-6）。如炎症是机械性血管壁损伤后的早期反应，因此在最初数天抗炎药物的洗脱动力学应该是早期集中释放；同样单纯抗增生药物应该在较长时间内（数周到数月，至少3周的时间）释放；影响细胞外基质形成的药物应该在更长的时间范围内释放。遗憾的是人们对药物体内释放的药代动力学还知之甚少，很多因素（如亲脂性、受体结合性和分子大小）可能也影响了药物从支架上洗脱后细胞对药物摄取和局部药物停留时间。

如果多聚物涂层是不能降解的物质，药物会通过分解或弥散的方式释放出来；如果涂层的多聚物是可以降解的，就可以随着多聚物降解而释放到血液中。各种输送途径见图10-7。

图10-7　支架介导的药物输送途径

药物遵从于简单的扩散原理。药物从多聚物包被的支架上释放，一般有两个释放阶段，即早期的集中释放和之后的较缓慢释放。具体的方式取决于药物—多聚物的重量比、多聚物厚度、药物分子量及药物和多聚物的水溶性等特性。这种从生物稳定性多聚物释放的形式被称为矩阵释放，是当今DES系统中最常见的药物载体模型。为了延长最初集中释放的时间，可以将一种不携带药物而仅仅是多聚物的“帽”加到药物载体复合物上，该多聚物能阻止药物弥散，从而影响药物洗脱动力学。CYPHER支架的载体由药物多聚物底层和附在其上的薄薄的一层没有药物的多聚物外涂层组成，从而调节药物的洗脱：第一周大约释放50%的亲脂性—雷帕霉素；第一个月释放80%；在植入3个月几乎100%完全释放。

紫杉醇涂层支架有中速释放型和缓慢释放型两种。中速释放型聚合物是药物在支架植入后2d内大部分释放在组织中；而缓慢释放型聚合物则在支架植入后15～20d逐渐持续释放。

总之，药物洗脱支架的总体表现取决于药物、多聚体载体和支架输送系统的最佳组合。药物洗脱支架的应用虽然明显降低了再狭窄率，但是没有完全地消除再狭窄，还需要进一步研究。

（盖鲁粤　金琴花）

图10-6　再狭窄—损伤愈合反应

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