近期，东华大学王璐教授和上海交通大学附属第九人民医院副主任医师王一惟、达骏在科爱出版创办的期刊 Bioactive Materials 上联合发表研究文章：用于定制化医疗的纳米纤维生物胶带及输尿管支架管。根据定制化医疗的需求，开发了一种自粘性的厚度为微米级的超薄纳米纤维胶带（Nanofiber Bio-tape, NFBT），创建了针对定制化医疗的术中载药策略及基于“支架管-药物-纳米纤维胶带”的多重缓释结构的输尿管支架管的模块化载药系统。
研究内容简介
局部给药可以保持药物的原始分子结构，支持直接和精确地使用目标药物。在下尿路系统，可通过导尿管将药物灌入膀胱来实现局部给药。但由于尿液的定向传输特性，药物难以抵达上尿路系统。因此，在输尿管支架管表面构建可控的药物缓释系统是术后泌尿系统治疗的直接方案。除了局部用药的要求外，“一刀切”的用药方案也不适用于复杂的泌尿系统疾病。因此，亟须提出一种定制化的载药方案，支持外科医生在手术过程中根据手术视野和具体的临床适应症来决定药物的种类和剂量。这就要求药物负载应在术中进行，即在聚合物成型之后和支架管植入之前。然而，目前的药物输送系统不能同时满足泌尿系统原位给药和定制化治疗的要求。传统载药植入物的制备方法是将药物和高聚物同时溶解于有机溶剂中，去除溶剂后将药物截留在高聚物基质中。在释放过程中，水溶液可以渗入聚合物的孔隙缓慢溶解药物，或随着聚合物的降解逐渐暴露出药物。药物载体的制备技术包括3D打印、溶剂浇铸和微纳米胶囊等。所载药物的类型和剂量通常在聚合物成型时既已确定，在使用中无法调整。本章根据定制化医疗的需求，开发了一种自粘性的微米级超薄纳米纤维胶带（Nanofiber Bio-tape, NFBT），创建了针对定制化医疗的输尿管支架管的模块化载药系统及“支架管-药物-纳米纤维胶带”的多重缓释结构。然后，探究纳米纤维胶带与支架管的结合牢度，药物递送性能及释药机制，对材料的生物相容性进行评估。构建雌性白猪UTI模型，探究了纳米纤维胶带载药模块的体内释药效果和治疗效果，并对其组织相容性、生物膜及结壳情况进行了对照分析。
一. NFBT 纳米纤维胶带的构建
静电纺丝纳米纤维生物胶带（NFBT）可在静电力作用下粘附于聚氨酯支架管表面，在一定压力下卷绕，NFBT与支架管紧密结合，结合牢度高于NFBT本身的拉伸强力。
图1. NFBT的形态和机械行为：(A)NFBT和US的加载策略示意图；(B)NFBT润湿前的SEM图像；(C)NFBT润湿后的SEM图像；(D)NFBT的应力-应变曲线；(E)NFBT在拉伸试验中的行为；(F)和(G)NFBT的结合强度
二. 体外载药及缓释结果
呋喃妥因（NFT）是一种典型的亲脂性药物，罗丹明B（RB）是水溶性的模型药物，两种药物负载量分别为150mg时。NFBT-NFT在28天内表现出恒定的药物释放，与零阶药物释放动力学一致（Mt/M∞=1.04236t，R2=0.9929；图2（A）和（B））。药物释放72小时后，NFBT层之间的NFT结晶粉末保持均匀分布（图2（D））。图2(E)-(G)显示，NFBT-RB的释放行为明显不同。在最初的24小时内，超过80%的RB被释放，之后药物的释放速度减慢。在第三天，NFBT仍然保持着分层结构，而在横断面样品中很少观察到RB晶体。
图2. NFBT-NFT和NFBT-RB的药物释放特性。(A)和(B)NFBT-NFT的长期和短期药物释放曲线；(C)NFBT-NFT在体外药物释放7、21、28天前后的图像；(D)NFBT-NFT在第一天和第三天的SEM图像。(E)和(F)NFBT-RB的长期和短期药物释放曲线；(G)NFBT-RB在体外释放1小时、1天和7天后的图像；(H)NFBT-NFT在第一天和第三天的SEM图像。
三. 体内实验
采用典型的输尿管镜手术经尿道将NFBT-CTL或NFBT-NFT装载的NFT（150mg）植入猪的左输尿管中。监测尿液中NFT的含量。图3（B）显示，NFT的浓度在植入后4小时（28.7±10.4微克/毫升）和24小时（9.4±2.3微克/毫升）之间迅速下降，此后缓慢下降到第28天的1.6±0.5微克/毫升。通过琼脂平板计数法定期测定从植入的动物身上收集的尿液中的CFU数量。图4(C)和(D)显示，NFBT-CTL组的CFU计数在4小时内超过1×105/mL，到第28天时数值增加到1~2×106 CFU/mL。相比之下，NFBT-NFT组显示出明显的杀菌效果，直到第28天尿液中都没有检测到细菌。NFBT给药的NFT总量只有150毫克，约为临床口服剂量的2.68wt%。因此，在尿液中测得的药物浓度远远低于口服量，可以得出结论，原位给药系统实现了更高的药物利用率。
图3：NFBT-NFT组和NFBT-CTL组尿液分析：（A）植入方法示意图；（B）检测到的猪尿中NFT含量；（C和D）通过琼脂平板计数测量的尿液中细菌浓度。***p < 0.001
植入聚氨酯支架管后的生物膜的形成和结壳被广泛报道，常常导致尿路感染。在植入28天后取出支架样品，确定表面生物膜的形成和结壳的程度。
图4（A）显示了从两个植入组（NFBT-CTL和NFBT-NFT）的支架管部分和NFBT获得的CFU计数。结果显示，与对照组相比，NFBT-NFT的 CFU减少99%。在两组中，NFBT上的粘附细菌都明显少于支架部分。图4(C)中NFBT-CTL的SEM图像显示，在支架部件的表面有大约1.6μm厚的壳状结构。在这些结构中，可以观察到聚集的细菌，表明该壳是由有机物、无机物和细菌组成的复合层。在NFBT组件上也观察到类似的结果。虽然纳米纤维表面没有壳状结构，但可观察到细菌的广泛分布。而NFBT-NFT组的生物膜形成和结壳现象明显减少（图4（D））。支架上壳状结构的厚度（0.29微米）比NFBT-CTL组的要少80%，细菌的数量也显著减少。这些结果表明，NFT的释放可以抵御细菌的附着，从而防止支架上大规模生物膜的形成和结壳。
图4. 支架各部分的体内生物膜的形成和结壳情况。(A) CFU细菌计数；(B) 表面元素分析；(C) NFBT-CTL的SEM图像和EDS分析；(D) NFBT-NFT的SEM图像和EDS分析。*P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001
为了评估NFBT或NFT可能引起的系统性毒性，在植入动物的血样中监测了肝功能的关键生物标志物（图5）。与初始值相比，肝功能的生物标志物（即ALT、ALT/AST、γ-GT和TBA）在整个观察期没有显示出明显的增加。ALT和ALT/AST表现出一些波动，两组在第7天和第21天表现出统计学差异。然而，这些数值没有超过最初的范围，此后两条曲线趋于一致，表明对肝脏的基本功能没有重大影响。这些观察结果也与输尿管切片的组织学检查一致（图6（C））。肝细胞表现出正常的形态，没有观察到明显的坏死、增生或淋巴细胞浸润。
两组的血液学分析也显示对生理指标（即WBC和LYM，图5）没有明显的不利影响。然而，在第7天和第14天，NFBT-CTL组的WBC和LYM水平明显较高（与初始值或NFBT-NFT组相比），表明细菌入侵诱发了种植体周围感染。相比之下，NFBT-NFT组的这两个指标保持稳定，表明NFT的持续释放可以抑制细菌感染。
图5. 植入期间试验动物血液主要指标。NFBT-NFT组和NFBT-CTL组之间的显著差异用*（P<0.05），**（P<0.01）标记，与第0天相比，显著差异用#（P<0.05），##（P<0.01）标记。
两个留置支架（NFBT-NFT和NFBT-CTL）的输尿管都有扩张和迂曲现象。植入28天后，NFBT仍然固定在支架的上部。图6(C)显示，两组患者的左输尿管过渡上皮都出现了一些肿胀（在HE染色的切片上显示）。这在NFBT-CTL组更为明显，上皮组织肿胀到50.67±11.5米的厚度，内部观察到剥落的囊泡组织。对CD 3和CD 68染色组织的检查显示，NFBT-NFT组的T细胞和巨噬细胞的浸润低于NFBT-CTL组（图6（C））。由于两组与左输尿管这一区域接触的材料都是聚氨酯，所以植入物引起的免疫排斥反应应该是一样的。炎症反应的差异可归因于支架表面不同程度的感染、生物膜和结壳。还对直接与NFBT接触的左输尿管的上部进行了染色和观察，以研究NFBT和NFT的组织相容性。图7（D和F）显示，两组的结果与PUUS部分相似，NFBT-NFT组的上皮组织厚度为（35.6±7.8）μm，NFBT- CTL为（53.3±12.1）μm。这表明NFBT的组织相容性与PUUS一样，局部高浓度NFT对组织的额外刺激和损伤可以忽略不计。对上皮组织厚度的整体分析见图6(G)，发现NFBT-NFT组明显抑制了炎症程度，证明了NFBT作为局部给药系统的治疗效率。此外，与NFBT-NFT相比，NFBT-CTL的左肾出现了肾小管的肿胀和扩张。NFBT-CTL的膀胱上皮组织也显示出较高水平的水肿、气球变性和炎症细胞浸润（图6（D和F））。对右肾和输尿管也进行了检查，在NFBT-NFT组也观察到炎症水平降低（图6（D））。由于这些组织没有直接与植入的支架接触，可以排除排异反应，两组之间的差异应该是由感染性因子诱发的炎症造成的。因此，组织染色结果表明，NFT的持续释放可以通过减少细菌入侵的程度来缓解整个泌尿系统的感染。
图6. 泌尿系统的组织学检查：(A)和(B)肾脏和尿路的一般观察；(B-E)植入后28天的代表性HE、CD3和CD68染色切片(比例尺，100μm)；(F)输尿管和膀胱上皮组织厚度的统计分析；(G)NFBT-NFT和NFBT-CTL组上皮组织厚度的显著性分析。
四、结论
本研究制备了一种超薄的NFBT，并评估了其作为输尿管支架管的自粘性药物输送系统的释药行为和相容性。NFBT的多屏障结构延长了药物的释放时间，亲水性药物RB可维持 7天的持续释放，疏水性药物NFT显示出28天的零级释放。使用猪尿路感染模型进行的体内实验表明，NFBT具有良好的生物相容性、粘合性和持续的药物释放行为。由于NFT在泌尿系统中的持续释放，尿路感染、生物膜形成和结壳的程度得到了明显改善。
