藥物控釋體系用于局部麻醉的研究進(jìn)展

藥物控釋體系用于局部麻醉的研究進(jìn)展局部麻醉（下文簡(jiǎn)稱“局麻”）旨在通過(guò)對(duì)手術(shù)區(qū)域神經(jīng)進(jìn)行阻滯，達(dá)到減少手術(shù)期間疼痛感覺(jué)的目的。現(xiàn)階段，臨床使用較多的酰胺類局麻藥（如布比卡因、利多卡因）工作濃度高且時(shí)效有限。對(duì)于時(shí)間較長(zhǎng)的手術(shù)，術(shù)中需補(bǔ)充麻醉藥物，而高劑量的局麻藥不僅會(huì)造成局部組織毒性及神經(jīng)毒性，還有引發(fā)系統(tǒng)毒性的風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。近年來(lái)，一些生物來(lái)源的毒素，如河豚毒素（TTX）、石房蛤毒素及其衍生物受到廣泛關(guān)注[4-6]，這些神經(jīng)毒素與鈉離子通道有極高的親合力，可以起到神經(jīng)阻滯的作用，具有成為新型局麻藥的潛力[7]。此類新型局麻藥效力極高，例如，在大鼠坐骨神經(jīng)局麻動(dòng)物模型中，3μg劑量的TTX便可起效，且?guī)缀醪划a(chǎn)生局部組織毒性和神經(jīng)毒性[8]；然而，其劑量窗口較窄，易產(chǎn)生系統(tǒng)毒性，例如劑量從3μg提高至4μg時(shí)，未給藥側(cè)的大鼠坐骨神經(jīng)也會(huì)被阻滯，且可造成20%的大鼠死亡[9]。更重要的是，這類效力極高的新型局麻藥同樣會(huì)受到工作時(shí)效的限制，其麻醉時(shí)長(zhǎng)與酰胺類局麻藥相比，并無(wú)顯著提高。根據(jù)臨床對(duì)長(zhǎng)效、安全局麻制劑的需求，研究人員開(kāi)始開(kāi)發(fā)局麻藥緩釋制劑，已有多款制劑上市，如布比卡因脂質(zhì)體（EXPARELTM）、多種利多卡因貼劑等[10-11]。雖然這些局麻藥制劑相較原藥物劑型具有長(zhǎng)效、使用便捷等優(yōu)點(diǎn)，但優(yōu)化局麻藥緩/控釋制劑仍然面臨巨大挑戰(zhàn)：對(duì)于傳統(tǒng)酰胺類局麻藥，因其工作濃度高，非常高的藥物載帶劑量才可能使緩釋的藥物維持在有效工作濃度；而對(duì)于神經(jīng)毒素類局麻藥，藥物分子本身親水性極強(qiáng)，大部分藥物載體很難實(shí)現(xiàn)對(duì)其高效裝載，且部分藥物載體存在初期突釋的現(xiàn)象，若釋放劑量過(guò)高，還會(huì)造成系統(tǒng)毒性。因此，要實(shí)現(xiàn)局麻藥的有效控釋，載體設(shè)計(jì)至關(guān)重要。藥物載體技術(shù)（控釋體系）的發(fā)展日新月異，除傳統(tǒng)的口服、貼劑外，微米、納米尺度的藥物制劑已進(jìn)入臨床，并應(yīng)用于惡性腫瘤治療、病毒感染預(yù)防等領(lǐng)域[12-13]。對(duì)于長(zhǎng)效局麻藥制劑，載體設(shè)計(jì)的基本要求是生物相容性高且具有較長(zhǎng)的局部滯留時(shí)間[14]。本文將介紹常用的局麻藥控釋遞送載體，著重介紹代表性控釋藥物載體設(shè)計(jì)思路及載體可實(shí)現(xiàn)的功能，并結(jié)合科研進(jìn)展對(duì)未來(lái)發(fā)展作出展望。1常用的局麻藥遞送載體1.1脂質(zhì)體脂質(zhì)體是最為常見(jiàn)的藥物載體，可用于小分子化療藥物、基因藥物的遞送及緩釋。除緩釋作用外，非陽(yáng)離子脂質(zhì)體生物相容性好、磷脂類型替換靈活、表面便于修飾[15-16]。因此，無(wú)論在基礎(chǔ)還是臨床研究中，脂質(zhì)體劑型均應(yīng)用廣泛。脂質(zhì)體的制備工藝日益成熟，多種脂質(zhì)體藥物制劑，如脂質(zhì)體阿霉素、脂質(zhì)體伊立替康，已獲批進(jìn)入臨床[17]。利用不同的制備工藝，脂質(zhì)體藥物制劑的尺寸可以實(shí)現(xiàn)從納米到微米級(jí)別的控制。用于局麻遞送的脂質(zhì)體制劑通常需要具有微米尺寸，利于其在注射部位的長(zhǎng)時(shí)間滯留。例如，已上市的布比卡因脂質(zhì)體EXPARELTM的尺寸接近30μm[18]。此外，脂質(zhì)體內(nèi)腔可以裝載親水性藥物，磷脂層可通過(guò)疏水相互作用載帶親脂性藥物，便于多藥聯(lián)合使用以延長(zhǎng)局麻時(shí)間。例如，相比于僅含石房蛤毒素的固態(tài)脂質(zhì)體（48h麻醉時(shí)效），同時(shí)裝載石房蛤毒素與地塞米松（0.8g/L）的固態(tài)脂質(zhì)體可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)7.5d的麻醉時(shí)效[19]。1.2聚合物載體多種天然、非天然聚合物具有較好的生物相容性及生物可降解性[20]，可用來(lái)制備藥物載體或藥物體系的輔料。例如，聚乙二醇已廣泛用于增加納米/微米藥物載體的分散性、延長(zhǎng)載體在生物體內(nèi)的循環(huán)時(shí)間（半衰期）[21-22]；多款以聚乳酸-羥基乙酸共聚物［poly(lactic-co-glycolicacid)，PLGA］為載體的化療藥物已經(jīng)進(jìn)入臨床研究階段[23-24]。聚合物藥物載體也可被制備成多種形式，如實(shí)心顆粒、空心的核殼結(jié)構(gòu)、空間網(wǎng)狀的水凝膠、靜電紡絲纖維等。例如，Zhang等[25]設(shè)計(jì)的PLGA水凝膠可有效聯(lián)合載帶布比卡因及右旋米托咪定，并實(shí)現(xiàn)藥物的可控釋放以及長(zhǎng)效滯留；He等[26]利用靜電紡絲技術(shù)制備的PLGA-布比卡因薄膜可緩釋布比卡因，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，其麻醉效果可持續(xù)一周以上。除上述物理裝載外，還可將藥物與聚合物化學(xué)鍵合制備成前藥（prodrug）[4,27-29]，實(shí)現(xiàn)對(duì)藥物的緩釋。例如，Zhao等[4]通過(guò)酯鍵將TTX與聚合物［poly(trioldicarboxylicacid)-co-poly(ethyleneglycol)，TDP］共價(jià)連接制備成前藥，注射至體內(nèi)后酯鍵逐漸水解，起到緩慢釋放TTX的效果，從而實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)效鎮(zhèn)痛。同時(shí)，根據(jù)藥物的分子量及親疏水性，調(diào)整聚合物的分子量或（嵌段聚合物）親疏水比例，可以調(diào)控制劑的載藥量及藥物釋放動(dòng)力學(xué)，便于優(yōu)化藥物控釋體系。1.3無(wú)機(jī)材料載體無(wú)機(jī)材料載體由于其制備過(guò)程中尺寸、形貌精細(xì)可控，越來(lái)越受到藥物載體研究領(lǐng)域的青睞。例如，介孔硅顆粒的尺寸在納米至微米級(jí)可調(diào)，除規(guī)整的球型外，還可被制備成空心結(jié)構(gòu)、納米棒、納米線，其孔隙大小也可調(diào)控（便于載藥及優(yōu)化藥物釋放動(dòng)力學(xué)）[30-31]。一些貴金屬體系，例如金納米顆粒，由于其具有表面等離子共振效應(yīng)，可對(duì)特定波長(zhǎng)的光響應(yīng)產(chǎn)生光熱效應(yīng)，對(duì)病灶進(jìn)行治療。此外，貴金屬載體還可作為載藥系統(tǒng)釋放藥物的“啟動(dòng)裝置”[32-33]。而對(duì)于局麻藥的控釋，通常需排除材料本身對(duì)神經(jīng)細(xì)胞/組織的潛在毒性，因此，利用金屬離子治療病癥（如殺傷腫瘤）的載體設(shè)計(jì)思路一般不引入局麻藥遞送體系的設(shè)計(jì)[34-35]。1.4其他類型載體除上述幾類材料外，多肽自組裝體系也在局麻藥（尤其是新型局麻藥）的遞送方面嶄露頭角。由于局麻藥與離子通道蛋白存在特異性結(jié)合，因此，結(jié)合位點(diǎn)的多肽序列有可能成為局麻藥的載體元件，這種仿生思路也為親水性強(qiáng)的新型局麻藥的特異性裝載及緩釋提供了新思路[36]。為實(shí)現(xiàn)多藥聯(lián)用、藥物可控釋放等功能，設(shè)計(jì)藥物載體時(shí)可將多種“功能元件”（不同材料）進(jìn)行雜化。例如，利用脂質(zhì)體包裹介孔硅材料，載體載藥量較脂質(zhì)體會(huì)顯著提高，并實(shí)現(xiàn)藥物釋放動(dòng)力學(xué)的優(yōu)化[37]；將金納米棒與脂質(zhì)體復(fù)合，當(dāng)金納米棒響應(yīng)特定波長(zhǎng)激光輻射后，可產(chǎn)生光熱效應(yīng)，載體局部溫度達(dá)到磷脂相轉(zhuǎn)變溫度后，脂質(zhì)體的膜結(jié)構(gòu)被擾動(dòng)，便可將藥物釋放，這類雜化載體可實(shí)現(xiàn)對(duì)藥物起效的時(shí)空操控[9]。2局麻藥控釋體系研究進(jìn)展藥物遞送體系用于局麻藥控釋的主要目的可歸納為利用藥物遞送系統(tǒng)的緩釋、長(zhǎng)滯留時(shí)間、環(huán)境響應(yīng)、高效滲透等功能，實(shí)現(xiàn)安全、長(zhǎng)效或時(shí)空可控的麻醉效果（圖1）[38]。圖1

局麻藥遞送系統(tǒng)功能示意圖2.1緩釋功能緩釋是對(duì)藥物載體的最基本功能要求之一，但對(duì)于局麻藥，釋放的藥物在滿足藥物工作濃度的同時(shí)還需避免初期藥物突釋造成的系統(tǒng)毒性。尤其對(duì)于新型局麻藥，由于其親水性強(qiáng)，分子擴(kuò)散速度快，有效裝載極具難度，同時(shí)，其起效劑量極低，劑量窗口極窄，若載體緩釋效力不強(qiáng)，很容易造成藥物突釋引發(fā)的系統(tǒng)毒性。提高載體與藥物（質(zhì)量或摩爾量）的比例可在一定程度上降低藥物釋放速度，因此，為實(shí)現(xiàn)新型局麻藥（如TTX）的緩釋，通常需要用幾十毫克的載體載帶微克級(jí)別的藥物，而載體量過(guò)大，同樣會(huì)對(duì)機(jī)體（清除載體材料）造成負(fù)擔(dān)。為解決這一問(wèn)題，本課題組跳出物理包裹的載藥方式，利用仿生思路，從TTX結(jié)合鈉離子通道的區(qū)域篩選關(guān)鍵多肽序列（圖2A），并進(jìn)行疏水修飾，使其可以自組裝形成納米纖維結(jié)構(gòu)（圖2B、2C）。圖2

基于仿生思路設(shè)計(jì)的新型局麻藥緩釋體系A(chǔ).新型局麻藥河豚毒素及其與鈉離子通道蛋白結(jié)合區(qū)域；B.含有與河豚毒素結(jié)合序列的兩親性多肽分子序列（載體分子設(shè)計(jì)）；C.兩親性載體分子自組裝載藥示意圖及載體自組裝透射電鏡形貌（納米纖維）；D.不同疏水基團(tuán)（C12、C18、疏水氨基酸等）修飾的兩親性多肽載體對(duì)河豚毒素的緩釋情況；E.優(yōu)選組載體麻醉效力及對(duì)應(yīng)的劑量不同疏水基團(tuán)修飾的納米結(jié)構(gòu)對(duì)TTX的緩釋能力差異較大，其中芳香族氨基酸作為疏水基團(tuán)的多肽組別對(duì)TTX的緩釋能力最強(qiáng)（圖2D），其原因是由于疏水體積較大，可使親水端的TTX結(jié)合序列距離相對(duì)合適（避免結(jié)合序列自身相互作用），利于TTX與載體的結(jié)合。由于可與TTX產(chǎn)生特異性相互作用，載體材料用量相比于脂質(zhì)體與聚合物類體系顯著減少，載藥精確度更加可控。該體系在大鼠坐骨神經(jīng)局麻動(dòng)物模型上的工作劑量范圍能夠?qū)崿F(xiàn)1～7μg內(nèi)可調(diào)，是自由形式TTX使用劑量范圍（3～4μg）的3倍，麻醉時(shí)長(zhǎng)可達(dá)16h，是自由形式TTX最長(zhǎng)麻醉時(shí)效的5倍以上（圖2E）[36]。此類仿生型的納米結(jié)構(gòu)可精準(zhǔn)載藥，實(shí)現(xiàn)局麻藥的可控緩釋，并能夠有效延長(zhǎng)鎮(zhèn)痛時(shí)間，且其緩釋體系也可擴(kuò)展應(yīng)用于其他受體介導(dǎo)的藥物遞送。2.2長(zhǎng)效局部組織滯留欲實(shí)現(xiàn)局部組織的長(zhǎng)效麻醉，藥物控釋體系需要在注射（用藥）部位具有相對(duì)較長(zhǎng)的滯留時(shí)間，在此基礎(chǔ)上，控釋體系對(duì)藥物進(jìn)行緩釋，起到長(zhǎng)效麻醉的功效[39]。與自由形式的局麻藥（小分子）相比，較大尺寸的藥物遞送體系可在一定程度上延長(zhǎng)藥物滯留時(shí)間；與水相比，納米組裝體、水凝膠等體系具有更高的粘度，從而延長(zhǎng)體系的局部滯留時(shí)間。通常用于延長(zhǎng)局麻持續(xù)時(shí)間的經(jīng)神經(jīng)注射的藥物控釋體系尺寸為微米級(jí)，因其具有更高的載藥量，釋藥持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，局部滯留時(shí)間也較長(zhǎng)。與之相比，納米尺寸的載體通常被清除，但合理設(shè)計(jì)的納米尺度的藥物控釋體系，同樣可實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的局部組織滯留。例如，本課題組設(shè)計(jì)的仿生型載體具有納米纖維結(jié)構(gòu)，同時(shí)，此結(jié)構(gòu)可增加溶液粘度，從而達(dá)到延長(zhǎng)局部滯留時(shí)間的效果。如圖3所示，有納米結(jié)構(gòu)的組別均具有較長(zhǎng)的局部滯留時(shí)間，半衰期均在24h左右，而無(wú)納米結(jié)構(gòu)的組別半衰期不足1h[36]。圖3

納米結(jié)構(gòu)可有效延長(zhǎng)局部滯留時(shí)間A．活體成像設(shè)備檢測(cè)熒光標(biāo)記的各組別載體信號(hào)隨時(shí)間變化情況；B.源于圖A熒光信號(hào)強(qiáng)度的定量分析，有無(wú)納米結(jié)構(gòu)的載體半衰期比較結(jié)果此外，在靜脈局麻（IVRA）模型中，微米尺寸的控釋體系會(huì)阻塞毛細(xì)血管，因此，微米尺寸載體并不適用于IVRA。Weldon等[40]利用大鼠的尾巴模擬人的肢端，開(kāi)發(fā)了一種尺寸為15nm的布比卡因膠束制劑（M-Bup），其與尺寸為100nm的脂質(zhì)體劑型（L-Bup，與M-Bup表面性質(zhì)相同）相比，由于粒子比表面大，更易吸附到細(xì)胞膜、血管壁等生物界面。因此，當(dāng)熒光標(biāo)記制劑（M-Bup-Rhd、L-Bup-Rhd）被止血帶限制在尾部靜脈15min后，拆除止血帶，M-Bup-Rhd組中的熒光強(qiáng)度在24h內(nèi)衰減速率顯著慢于L-Bup-Rhd組，半衰期顯著長(zhǎng)于L-Bup-Rhd組?；诖碎L(zhǎng)效滯留及緩釋作用，含有0.1%布比卡因劑量的M-Bup制劑提供了約4.5h的局麻效果，比更大劑量（0.5%）自由形式的布比卡因延長(zhǎng)2倍，而與M-Bup相同藥物劑量的L-Bup也不能產(chǎn)生麻醉效力。由于M-Bup藥物劑量小，具有長(zhǎng)效滯留效應(yīng)，其降低了藥物入血速率，因此具有較高的安全性。從以上兩個(gè)例子可以看出，納米尺寸的制劑在特定場(chǎng)合下，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，同樣可實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)局部滯留時(shí)間的效果。同時(shí)提示，對(duì)于局麻藥控釋體系的設(shè)計(jì)，需針對(duì)特定應(yīng)用（病理）場(chǎng)景，并無(wú)固定的法則。2.3高組織滲透性局麻是將藥物注射至特定區(qū)域神經(jīng)周圍，藥物易擴(kuò)散至外周神經(jīng)組織中起效，但對(duì)于坐骨神經(jīng)等較粗的神經(jīng)束，因有結(jié)締組織包被而對(duì)藥物輸運(yùn)可產(chǎn)生屏障作用。通常小尺寸的顆粒更容易穿越屏障，從而具有更好的藥效。例如，本研究團(tuán)隊(duì)制備了30nm的介孔二氧化硅球殼，該納米粒子可穿透坐骨神經(jīng)周邊的結(jié)締組織，利用此球殼結(jié)構(gòu)載帶新型局麻藥物TTX，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效麻醉，同時(shí)擴(kuò)大劑量窗口，提高安全性[41]，而70nm的介孔二氧化硅顆粒則無(wú)法實(shí)現(xiàn)此效果。2.4物理信號(hào)對(duì)釋藥的時(shí)空操控除上述功能（緩釋、高滲透等）外，將光、超聲等外界信號(hào)轉(zhuǎn)換成藥物釋放信號(hào)的藥物控釋體系也開(kāi)始涌現(xiàn)[42-43]。此類藥物控釋體系的出現(xiàn)有望實(shí)現(xiàn)在首次藥物注射后，患者在感受到疼痛時(shí)，由患者本人或醫(yī)生通過(guò)施加物理場(chǎng)刺激信號(hào)，實(shí)現(xiàn)藥物釋放，達(dá)到麻醉效果。此法可避免重復(fù)注射，也為遠(yuǎn)程醫(yī)療提供了契機(jī)。例如，Rwei等[8]將光敏劑及金納米棒同時(shí)摻雜至載有TTX的脂質(zhì)體中（Lipo-PdPC-GNR），可實(shí)現(xiàn)在較低功率光源照射下的藥物（或載帶的染料）響應(yīng)釋放。其將裝載了TTX的Lipo-PdPC-GNR注射至大鼠坐骨神經(jīng)，首次光照后，釋放的TTX產(chǎn)生了（1.5±0.3）h的有效麻醉，第二次光照觸發(fā)后，仍能產(chǎn)生1h有效麻醉，相比于單一光響應(yīng)成分摻雜的脂質(zhì)體更有效，提高了光響應(yīng)釋藥可操作性。3小結(jié)與展望局麻藥載體技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了對(duì)控釋體系的深入研究，除在動(dòng)物模型中獲得驗(yàn)證外，藥物遞送體系在淺表麻醉領(lǐng)域展現(xiàn)出了極大的應(yīng)用前景。目前研究最多的是微針技術(shù)，其可直接將局麻藥遞送至作用部位進(jìn)行緩釋而不引起組織損傷或炎癥的發(fā)生。這一技術(shù)可臨床用于緩解神經(jīng)病理性疼痛以及醫(yī)療美容手術(shù)等[44]。目前，藥物控釋體系在局麻中的應(yīng)用仍處于科學(xué)研究階段，用于臨床的制劑相對(duì)較少，欲實(shí)現(xiàn)更多臨床可用制劑的輸出，仍需完善以下幾個(gè)方面：（1）藥物控釋體系的高通量篩選。例如，