医疗器械的免疫毒性评价_杨晓芳

医疗器械的免疫毒性评价杨晓芳综述　奚廷斐审校(中国药品生物制品检定所,北京100050) 摘要　随着对生物材料生物相容性研究工作的不断深入,以及医疗器械在临床使用过程中所出现的一些问题,人们开始认识到医疗器械与人体免疫系统之间相互作用的重要性。

单独致敏试验不能全面地评价生物材料类医疗器械免疫学的各个方面,不能为生物材料的临床使用提供安全有效的试验资料,不能为管理机构的决策提供可靠的技术数据。

本文着重介绍了医疗器械免疫毒性试验原理和方法。

关键词　医疗器械　生物材料　免疫毒性　评价Evaluation of Immunological Toxicity of Medical DevicesYang Xiaofang　Xi Tingf ei(N ational Institute for the Contr ol of Pharmaceutical and B i olog ical Products,Beijin g　100050,Ch ina) Abstract　T here has been increasing a ttentio n ov e r the past few year s o n the po tential fo r the medical dev ices to ca use chang es in the immune sy stems,and it w as necessar y to prov ide g uidance on ho w to address th e adv erse effects of medical devices o n the immune sy stem.Her e we intro duce the principles a nd methods fo r immuno t-ox ico log y testing o f medical devices.Key words　M edical dev ices Bioma teria l Im muno tox ico lo gy Ev alua tio n1　引　言随着医学和生物材料技术的不断发展,医疗器械在替代人体组织、器官或改善功能方面的作用越来越突出,同时由于自体或异体器官的移植仍面临诸多困难,使得人类越来越依赖医疗器械,尤其是长期植入人体的医疗器械,比如人工心脏瓣膜等人工器官、血管支架等改善功能的医疗器械已经在临床大量应用。

生物相容性评价是对这些医疗器械进行风险评估的重要而有效的手段,国际标准化组织(ISO/TC194)颁布的《医疗器械生物学评价》系列标准(ISO10993)明确列出了细胞毒性、遗传毒性、全身毒性、致敏和刺激反应、血液相容性、生物降解等生物学评价试验项目,用于医疗器械的生物安全性评价。

随着对生物材料生物相容性研究工作的不断深入,以及医疗器械在临床使用过程中所出现的一些问题,使得人们开始认识到医疗器械与人体免疫系统之间相互作用的重要性[1～4]。

免疫系统是人体抗击外源性物质的屏障,对植入人体的异体、异种材料或合成材料会产生一系列免疫防御反应,包括非特异的炎症反应,特异的抗体/抗原反应、补体激活、细胞因子和化学因子表达等等。

免疫系统包括复杂的器官和细胞,正常情况下处于微妙的平衡状态,与有免疫毒性的物质接触会打破这种微妙的平衡,而对机体产生不利的影响,比如免疫抑制、过敏或自身免疫。

免疫系统的改变对于人类健康潜在的不利影响越来越成为科学和公众日益关心的问题。

受影响的机体可能没有明显的疾病,但是会表现为越来越不能抵御那些普通的疾病,比如过敏疾病和普通疾病(常见的伤风、感冒或者耳炎等等)[5～13]。

医疗器械或生物材料一次或多次接触机体后能够激发和诱导免疫系统,导致机体产生致敏反应,目前多采用致敏试验(封闭斑贴法和最大剂量法是致敏试验使用率最高的两种方法,也是国际标准ISO 10993-10中列出的两个方法)用于评价医疗器械或生物材料对机体免疫系统的影响。

但是,随着科学技术的发展以及人类对自身健康的更多关注,显而易见,致敏试验已经不能满足医疗器械免疫学评价的生物医学工程学杂志J Biomed Eng　2007;24(5)∶1191～1195 要求——许多医疗器械的致敏试验在临床前评价时均为阴性结果,而在临床使用中出现了致敏的不良反应,例如乳胶产品、金属植入材料和牙科材料等医疗器械产品。

对于一些异种动物来源的产品例如猪纤维蛋白原止血胶(纤维蛋白封闭剂)等产品具有潜在诱导人体产生抗体的作用。

因此,单独致敏试验不能全面地评价生物材料类医疗器械免疫学的各个方面,不能为生物材料的临床使用提供安全有效的试验资料,不能为管理机构的决策提供可靠的技术数据。

目前,科学家们对于医疗器械材料的免疫毒性尚在研究阶段,对于如何更系统、全面的评价材料的免疫毒性正在进行不懈的努力。

现今已经报道了部分材料与免疫毒性的关系,其中有关金属的免疫毒性研究结果则尤为引人注目:比如,I型超敏反应与塑料和聚合物(丙烯酸树脂/丙烯酸盐)以及金属盐类(比如镍、铬,以及牙科用汞合金)有关;IV型超敏反应与低分子量有机分子以及医疗器械中的金属和金属盐有关;特定金属(比如镍和汞)可能造成免疫抑制;自体免疫与器械植入物中的特定金属也有关(如汞和金)[14-24]。

2003年国际标准化组织起草了一份《医疗器械免疫毒性试验原理和方法》的技术报告,该报告在2005年又重新讨论并形成DIS稿(标准草案稿),经表决已获得通过[25]。

2　免疫毒性概述免疫毒性(即对免疫系统的影响)是因为有毒性的外源物质与免疫细胞相遇并杀死了这些细胞;或者外源物质扰乱了免疫应答并改变了其结果。

很难提早预料到是否会发生免疫毒性反应,但是我们还是可以根据已知的免疫理论来作推断。

首先,能够激发免疫应答的物质必须是外源性的。

最可能有免疫原性的物质首推蛋白质,其次是多聚糖,然后是核酸、脂肪。

小分子量的物质一般没有免疫原性,但是它们可以通过连接到宿主蛋白质并改变蛋白质的结构而获得免疫原性,称为半抗原。

聚合材料、陶瓷材料以及金属材料可能具有滤出物、磨损或可降解的部分而能够连接到宿主蛋白质上。

生物源性的材料比如胶原、天然乳胶蛋白、白蛋白以及动物组织等等,都是已知的能够激活免疫应答的物质,因此必须改变而让这些材料失去免疫毒性。

例如,为了让大分子物质失去免疫毒性,可以让其降解为小分子物质免疫毒性物质通常是指化学物质(如药物)或生物分子,也包括它们的降解产物。

在特定的情况下,也包括物理因素(如辐射)。

目前已知的大多数的免疫毒性反应与材料的添加剂密切相关,因此,这些化学物质的接触性评估对于确定是否会发生免疫毒性反应是非常重要的。

表1给出了医疗器械在接触人体不同部位、不表1　医疗器械潜在的免疫毒性Table1　Potential immunological outcomes身体接触部位接触时间免疫毒性12345与体表接触的医疗器械皮肤A×—×——B×××——C×××××粘膜A×—×××B×××××C×××××损伤或愈合的表面A×—×××B×××××C×××××介入医疗器械血路——直接或间接A×—×—×B×××××C×××××组织,骨,牙齿的介入器械A×—×××B×××××C×××××植入医疗器械组织,骨髓以及其它体液A×—×××B×××××C××××× 注:A=限制接触((24h);B=延长接触(24h～30d);C=永久接触(>30d);1=超敏/刺激;2=慢性炎症;3=免疫抑制;4=免疫激活;5 =自身免疫。

1192 生物医学工程学杂志 第24卷同时间潜在的免疫毒性效应。

3　免疫毒性的评价方法3.1　一般原则免疫毒性试验可以分为体外法和体内法。

与体内法相比,体外法不能与免疫系统直接接触而受到限制。

另外,由于体外法还没有被完全开发和标准化,需要将动物试验的数据推论到人体(通过阐述免疫学机理),也使得这一方法受到限制,但他们仍是有利于对免疫毒性机理的研究。

免疫毒性研究的一个重点是通过啮齿动物实验研究和评价物质的不良影响。

虽然有些试验已被证实是有效的试验方法,但是在许多情况下,这些试验的生物学意义和免疫毒性的预测性仍是需要慎重考虑的。

对免疫系统潜在影响的指标有:淋巴器官重量或组织学的改变,周围白细胞总数及分类的变化,淋巴组织细胞结构的减低,对机会病原体或肿瘤的易感性增加。

因此免疫毒性试验要考虑的就是确认这些变化并对机体的影响作出评价。

免疫毒性试验可以分为非功能性试验和功能性试验。

非功能性试验的数据具有可描述性,比如形态/数量的改变,淋巴组织大小的改变,淋巴细胞的数量以及免疫球蛋白或其他免疫功能指标水平的改变等等。

相反,功能性试验反映细胞和/或器官的活性,比如淋巴细胞对有丝分裂或特异性抗原的增殖反应,细胞毒性,以及特异性抗体的形成等等(比如绵羊红细胞试验)。

免疫反应的试验和指标举例见表2。

表2　免疫应答评价指标试验举例Table2　Examples of tests for and indicators of the evaluation of immune responses免疫应答功能性试验可溶性介质非功能性试验显型其他2组织/炎症植入/系统性N.A.1细胞表面标记器官重量分析ISO10993-6,ISO10993-11体液应答抗原加佐剂的抗体应答免疫测试(比如EL IS A)3,补体(包括C3a和C5a过敏毒素)细胞表面标记空斑形成细胞免疫复合物淋巴细胞增殖抗体依赖性细胞的毒性被动皮肤过敏反应直接过敏反应细胞应答T-细胞豚鼠致敏测试3细胞因子表型细胞表面标记大鼠局部淋巴结测试T-细胞亚型指示物(辅助和细胞毒大鼠耳肿胀试验(Th1,Th2)性T-细胞)淋巴细胞增殖试验混合淋巴细胞反应N K-细胞肿瘤细胞毒性N.A.细胞表面标记巨噬细胞和其他单核细胞噬菌作用3细胞因子M HC标记抗原表达(IL1,TN Fα,IL6,TGFβ,IL10,γ-干扰素)树突状细胞T-细胞的抗原表型N.A.细胞表面标记血管内皮细胞活性粒细胞(嗜碱细胞,嗜酸细胞,中性细胞)去颗粒作用噬菌作用化学因子,生物活性因子,炎症细胞因子,酶N.A.细胞化学宿主防御对细菌病毒和肿瘤的防御N.A.N.A.临床指征N.A.N.A.N.A.过敏,皮疹风疹,水肿淋巴结病炎症 注:1N.A.=未实行;2许多人类自身免疫疾病的动物模型已经建立,但是还没有推荐为生物材料/医疗器械引起的自身免疫的常规试验; 3最常用的试验。