第二章　药物涂层球囊基础知识

药物涂层球囊（drug-coated balloon，DCB）是在药物洗脱支架（drug-eluting stent，DES）的基础上，为减少支架金属和涂层长期残留在血管壁内容易引起再狭窄或者其他血管并发症（如血管重构、瘤样扩张）而研发的。DCB的目的是希望通过球囊把抗增殖药物带到血管壁上并均匀释放，抑制血管内皮细胞、平滑肌细胞（smooth muscle cells，SMCs）和成纤维细胞增殖，起到减少球囊扩张后再狭窄的作用。

DCB预防和治疗再狭窄的作用机制类似DES，都是通过携带的药物抑制内膜增生而减少再狭窄，但是两者携带药物方式不同，药物作用时间不同，而最大的差异在于DCB并不会植入长期存留在血管内壁的金属丝以及聚合物（polymer）涂层，体现了“介入无植入”的新型介入理念。

针对再狭窄的治疗，就需要首先了解再狭窄发生过程中的关键节点。既往认为，再狭窄是一个慢性过程，提示需要长期反复给予药物。通过局部药物输送保证持续药物释放对预防再狭窄来说是很重要的，尤其是在有支架植入的情况下。但是，实验动物的动脉体外研究结果证明：在认定的动物模型中，在动脉内皮损伤的关键时刻如果短暂暴露于药物治疗，就可以抑制再狭窄的发生。因此，DCB的概念是在血管成形的当时通过球囊局部输送抗增殖药物，使血管壁短暂暴露于药物作用下并对药物充分摄取，就能抑制再狭窄的发生。例如，碘普罗胺（Ultravist）中加入紫杉醇经短暂保温培养期（3分钟），几乎能完全抑制血管平滑肌细胞增生，效果可达12天。Creel等报道，紫杉醇加碘普罗胺暴露15分钟后，脂溶性紫杉醇进入动脉壁的剂量是肝素20倍。动物实验证明，脂溶性药物如紫杉醇或西罗莫司可迅速被血管壁组织摄取。DCB表面涂布抗增殖药物，在球囊扩张过程中，药物被挤压到狭窄的血管壁中，足够的药物溶解并渗透到血管壁。在目前研究中，经治疗的冠状动脉在扩张后40～60分钟仍能测到紫杉醇在血管组织中的浓度。

紫杉醇短期的暴露能明显阻断早期的细胞增生启动因子，此因子对随后新生内膜的形成起关键作用。阻断这种早期内膜增生，能有效防止再狭窄的发生。此外，药物只在球囊短暂扩张过程中给予，能迅速溶解并消失。在这种抑制作用消失后，内皮细胞及其祖细胞（precursor cells）能移行到损伤的血管处，此时血管再内皮化不受抑制，可以有效地减少支架内血栓形成。由于病变近端和远端之前未暴露于药物，而进入病变的内皮祖细胞来自病变的上、下游，因此其保持了正常分裂功能。另外，由于局部释放的抗增殖药物充分被血管壁吸收，进入血液循环中的药物浓度远远低于可能造成人体肝、肾以及骨髓等外周器官损害的浓度，因此不会对人体产生不良反应。总之，DCB是目前基于支架局部药物输送（stent-based local drug delivery）的最先进和最可能的一种替代方法。

关于DCB的第1个临床前研究是由德国医生Scheller等进行并发表在2004年的 Circulation杂志上。在这项研究中，应用不锈钢支架（直径为3.0～3.5mm，长度为18mm）植入猪的冠状动脉前降支和回旋支。2种传统的无涂层球囊和3种不同类型的紫杉醇药物涂层球囊被使用，并且与血管壁接触保持1分钟。通过血管造影和支架血管组织形态学研究对结果进行定量评估，应用紫杉醇药物涂层球囊组支架内再狭窄明显减少（新生内膜面积减少63%），在接近支架支柱处无任何增加炎症的证据，且完全不破坏支架内皮化，也无支架内血栓形成。他们还发现，紫杉醇药物涂层球囊仅有6%的药物没有充分释放。约80%的药物在球囊扩张时释放出来，这表明药物从该球囊迅速转移到血管壁上而没有太多损失。药物从血管壁中回收的最高百分率为17.3%。

Speck等对猪模型的冠状动脉别给予药物涂层球囊和DES处理，观察其抑制内膜增生的作用。结果证实，紫杉醇药物涂层球囊组的新生内膜面积明显低于普通支架组和药物支架组，而且只要球囊表面紫杉醇的含量达到了有效剂量（10μg/mm ²），无论扩张时间长短（10秒、60秒或两次 60秒），DCB均能有效抑制新生内膜增殖。球囊表面药物涂层的制作工艺对DCB的效果有一定影响，有基质涂层的DCB（如SeQuent Please）的效果优于没有基质涂层、表面粗糙的DCB（如Dior）。Cremers等通过猪模型研究了球囊扩张时间和球囊药物涂层剂量与DCB降低血管内膜增生作用的关系，研究结果表明，DCB能显著降低血管内膜增生的作用，与球囊扩张的时间及药物涂层紫杉醇的剂量（紫杉醇总剂量达到10μg/mm ²以上时）无明显相关性。同时，通过对猪模型冠状动脉过度扩张进行了不同类型的DCB药物涂层方式之间的作用比较，结果显示，药物涂层以基底膜方式释放要优于球囊表面皱褶方式，表明药物涂层球囊的抗内膜增生作用与球囊药物涂层采取的方式有关。

以上的动物实验方法已经为更多新型的DCB在开展临床前的动物实验所采用。目前，国内外新型DCB的初始应用往往在猪的冠状动脉中进行，因为猪的冠状动脉解剖结构、组织结构与人体最为类似。对猪冠状动脉进行DCB扩张试验，可以在不同的时间点采集猪冠状动脉血管壁进行组织病理学检查，分析新生内膜的生长情况以及新生内膜炎症表现。一般在90天或者更长的时间后，以血管造影和定量冠状动脉造影（quantitative coronary angiography，QCA）的方法获取远期管腔丢失（late lumen loss，LLL）数据，评价DCB对新生内膜形成的抑制作用。

DCB从面世开始就围绕其产品设计的技术参数和优化方案进行了不断的探索和改进，其中主要涉及3个方面：①选用何种抗增殖药物进行局部释放；②选用何种球囊作为药物的输送载体；③选用何种涂层技术控制药物在血管壁释放过程。

能抑制细胞增殖的药物首选紫杉醇和西罗莫司（雷帕霉素）及其衍生物，这两类药物的抗增殖效果在药物洗脱支架的临床应用中已经得到充分的肯定，可以显著减少支架内再狭窄。紫杉醇最初引入临床是用于治疗卵巢癌、肺癌等，此后成为肿瘤治疗中的一种常规药物。紫杉醇是一种高度亲脂性的药物，分子量为853.9，它可以诱导和促进微管蛋白聚合及影响微管装配，导致细胞在有丝分裂时不能形成纺锤体和纺锤丝。在体外和体内研究中，紫杉醇通过在细胞分离中后期持续破坏有丝分裂而阻止血管壁平滑肌细胞的迁移和增殖，在体内、体外均可有效地抑制血管平滑肌细胞的增殖，且作用持久。Axel等发现，对培养的人SMCs单次给药，紫杉醇抑制细胞增殖和迁移的作用可持续14天，而且这种作用是不可逆的。

在体外研究中，紫杉醇对血管平滑肌细胞生长的最大抑制浓度是1μmol/L，而50%抑制值是2.1nmol/L。血管内皮细胞敏感性低很多，需要的药物浓度为μmol/L级，这个浓度只有癌症患者全身治疗产生不良反应（如中性粒细胞减少、外周神经病变、严重的过敏反应和无症状的心动过缓）时浓度的1%甚至1‰，因此几乎没有任何细胞毒作用。所以，紫杉醇非常适合作为DCB的涂层药物。经过药物载体预处理，例如加入少量亲水性的对比剂以后，紫杉醇的水溶性进一步增加，产生既亲水又亲脂的特点，具有很好的组织相容性与细胞亲和性。西罗莫司及其衍生物也可用于DCB，但西罗莫司及其衍生物的单次接触后血管壁对其的摄取及生物利用度明显低于紫杉醇，因此市场上的DCB绝大多数是紫杉醇药物涂层球囊。天然的丝裂原活化蛋白激酶（mitogenactivation protein kinase，MAPK）抑制剂genistein和Ca ²⁺激活的K ⁺通道抑制剂等也可用作DCB的涂层药物。但除紫杉醇外，其他药物的有效性和安全性均未得到进一步的研究证实。

DCB是使用球囊将药物输送到靶血管局部进行贴壁释放，一开始的产品设计主要考虑到球囊对药物的承载性和释放性，所以多采用多孔球囊和双球囊进行药物释放。此后由于涂层技术的改进，球囊自身材质的受关注度下降，目前上市的DCB均采用了常规半顺应性球囊作为药物的输送载体。

为了避免附着于球囊表面的药物被血液快速冲洗掉，使之能够被局部血管壁有效摄取，目前采取的方法主要有两种：无基质涂层技术和采用基质涂层的方法。

无基质涂层的DCB有3种：Dior球囊、Elutax球囊和Genie球囊。Dior球囊是将硫酸二甲酯处理后的紫杉醇微晶直接覆盖于球囊表面的纳米多孔（nanoporous）内，含量为3pg/mm ²。球囊折叠后可防止表面的药物在介入操作过程中被冲洗掉。球囊扩张后局部血管壁组织内的药物浓度可达到0.3～0.5panol/L（单次用药的有效剂量）。改良后的Dior Ⅱ药物涂层球囊在冠状动脉原位病变处理中取得了良好的效果。Elutax球囊是将紫杉醇直接覆盖涂在特制的球囊表面，在介入过程中进行药物释放。但从实际的临床效果来看，这种普通的紫杉醇涂层Elutax球囊在原位病变的处理效果上仍然明显劣于依维莫司洗脱支架。Genie球囊的紫杉醇药物输送系统比较特殊，其并不是将紫杉醇涂在球囊表面，而是以液体药物形式直接局部给药。Genie球囊的设计是一种“双头形”、低压膨胀的局部给药球囊导管，顶端小球囊类似Swan-Ganz导管头端，膨胀后可以阻止血流从而形成一个暂时性的“腔室”。当药物溶液充满球囊时其膨胀封闭远端，加压至2ATM时溶液从近段头部球囊的侧孔流出，药物逐渐充满球囊并与病变区域血管壁充分接触，形成液体浸润深层。从临床研究结果看，裸金属支架+Genie球囊联合治疗，可以达到新型药物洗脱支架的治疗效果。

目前采用基质涂层（均不含有聚合物“polymer”）的DCB相对更普遍，这是基于在动物实验中采用基质涂层的DCB似乎优于无基质涂层的DCB，其中具有代表性的DCB包括：SeQuent Please药物涂层球囊和IN.PACT Falcon药物涂层球囊。全球范围内最早上市了SeQuent Please药物涂层球囊，SeQuent Please药物涂层球囊是在传统PTCA导管的远端球囊上，均匀地涂上紫杉醇和造影剂的混合基质（PACCOCATH技术，其主要成分是碘普罗胺）。碘普罗胺可以提高紫杉醇的生物利用度，增加药物与血管壁的接触面积，减弱药物分子之间的引力，“造影剂存储池”可以延长药物进入血管壁的时间。因此，碘普罗胺的亲水特征和紫杉醇的亲脂性共同支持药物从球囊表面释放并被血管壁摄取。SeQuent Please药物涂层球囊的载药量是3µg/mm ²，其扩张球囊仅需30秒，基质涂层黏附在血管壁，大约总剂量16%的紫杉醇被均匀释放到血管壁，已经足以抑制细胞增殖。单次释放紫杉醇后24小时，血管壁内紫杉醇的浓度即降至最低值，但对细胞增殖的抑制作用可持续2～4周。由于SeQuent Please药物涂层球囊上市早，而且设计和疗效出色，是目前所有药物涂层球囊中进行过临床试验和获得临床应用最多的DCB。IN.PACT Falcon药物涂层球囊的涂层是以尿素为主要成分的高水溶性物质FreePac，奠定IN.PACT Falcon药物涂层球囊临床地位的主要证据是BELLO试验的结果。BELLO试验是一项前瞻性、多中心、随机单盲对照试验，其比较的是IN.PACT Falcon药物涂层球囊与Taxus Liberte 药物洗脱支架在冠状动脉小血管（参考管腔直径<2.75mm）中的应用情况。在6个月和2年的随访中，DCB组和DES组有相似的再狭窄、靶病变血运重建和主要心血管不良事件发生率，但主要终点——血管晚期管腔丢失在应用IN.PACT Falcon的DCB组显著少于DES组。

目前国内已经上市的药物涂层球囊是轻舟DCB。轻舟DCB涂层所含药物为紫杉醇，剂量达到3.0μg/mm ²，而载药的涂层基质是碘海醇，因此可以看出其涂层基质仍然是造影剂，其提高紫杉醇利用度的原理与SeQuent Please药物涂层球囊相似。目前国内批准其适应证为原发冠状动脉分叉病变狭窄的扩张。

另一款尚未上市而正在进行Ⅲ期临床试验的DCB为Dissolve药物涂层球囊。Dissolve药物涂层球囊的抗增殖药物依然是紫杉醇，但是赋形剂使用了甘油三酯，两者经溶剂溶解后制成药物溶液，使用超声雾化自动喷涂技术将药物溶液喷涂到球囊表面。添加甘油三酯这种亲脂性赋形剂，可以形成不易溶于血液的半液态涂层，从而减少输送过程以及穿越病变时的药物丢失。一般SeQuent Please药物涂层球囊推荐在2分钟之内快速到达病变部位完成扩张，且只能允许单次扩张，而Dissolve药物涂层球囊则可以多次扩张球囊，因为亲脂性赋形剂与紫杉醇的混合物能耐受长时间血流冲刷。一方面，由于亲脂性赋形剂可提高紫杉醇生物利用度、增加血管壁对药物的吸收、减弱药物分子之间的引力，单次球囊充盈后释放的药物可抗平滑肌细胞增殖超过14天，治疗4周后血管壁中仍有足够浓度药物抑制血管内膜增生。另一方面，由于赋形剂甘油三酯本来就是人体内天然存在的脂质，可被体内吸收、代谢成为水和二氧化碳，完全无毒害作用。Dissolve药物涂层球囊正在进行的临床试验以支架内再狭窄和冠状动脉小血管病变为适应证，其覆盖了符合应用DCB适应证70%以上的手术量。

表2-1列举了目前为止在国际上已经上市的各类药物涂层球囊（不含轻舟DCB）的技术参数和适应证。这些上市的DCB中，有些不使用赋形剂，有些使用亲水性赋形剂（例如碘普罗胺、尿素）或亲脂性化合物赋形剂（例如丁酰柠檬酸三正己酯），但是无一例外均采用了紫杉醇作为抗增殖药物，而且这些上市的DCB均获得了CE认证。CE认证是指欧盟市场的强制性安全认证——欧洲统一（CONFORMITE EUROPEENNE），不仅是欧盟内部企业生产的产品，而且其他国家生产的产品如果在欧盟市场上流通和销售使用，均需要CE认证标志。美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）对药物涂层球囊的批准处于相对缓慢的阶段，在2014年10月和2015年1月分别批准了Lutonix 035药物涂层球囊和IN.PACT Admiral药物涂层球囊，但是适应证均为下肢外周动脉疾病，目前冠状动脉粥样硬化性狭窄以及支架内再狭窄的DCB应用正在等待美国FDA的批准中。

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