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镍合金医疗器械的生物学研究进展

发布时间:2019-03-20 16:43:00      浏览  次

作者:汤菊莉,贺学英

单位:北京市医疗器械检验所生物相容性检验室

〔关键词〕镍合金;镍离子;细胞毒性;免疫毒性;致突变性

〔中图分类号〕R197.39   〔文献标识码〕A  

〔文章编号〕1002-2376(2017)13-0193-05

镍是一种固体的银白色金属,具有良好的延展性,位于元素周期表的第28位,作为过渡金属被广泛应用于医疗器械领域,尤其是其合金在外科植入假体和正畸齿科材料中大量使用,这与其抗腐蚀能力有关。尽管在医疗器械中最常应用的合金为不锈钢和钴铬钼合金,但是这些合金中常常含有镍元素[1]。制造假体所使用的不锈钢中通常含有8.5%~14%的镍,最高可达到 35%[2-4]。钛合金也广泛应用于外科假体制造,其中也同样含有不同浓度的镍元素。由于各国已经开展了大量关于镍元素毒性的研究,因此这些合金在医疗器械中的使用备受争议。

目前已知镍合金在医疗领域使用时产生的不良反应都与合金发生腐蚀或者摩擦导致其中镍离子的释放有关[5]。虽然已经发表了很多关于镍的毒理学特性的文章,主要集中于镍的细胞毒性、致敏性 / 免疫毒性和致癌性 / 致突变性 3 个方面,但是在医疗器械领域,镍合金的生物安全性研究所得出的结论,往往与镍盐溶液毒性研究的结论不一致,因此有必要对镍合金医疗器械的生物学研究现状进行综述,并为今后镍合金的生物学研究指导方向和提供思路。

1 镍 / 镍合金的溶出与细胞毒性

关于镍合金细胞毒性的研究已经进行了很多,Keun-Taek Oh 和 Kyoung-Nam Kim[6]使用 L929 细胞对 4 种不同热处理加工工艺的含镍不锈钢正畸丝(分别对其进行人工唾液浸提,获得了不同的镍溶出浓度)进行了细胞毒性研究,当样品与琼脂的接触面积在 1 cm2 时,其细胞毒性反应指数为 1/1~1/3,均显示为较低的细胞毒性。在另一项研究中,试验者使用齿科合金浸提液进行细胞毒性试验,结果并未发现镍铬合金浸提液具有细胞毒性。在通过化学方法检测浸提液中的镍浓度后,研究者使用含有相同镍浓度的盐溶液(NiCl2 )进行细胞毒性试验,结果发现该镍盐溶液具有轻微细胞毒性。当镍离子浓度在295~365 μmol/L 时,可导致细胞的成活率降至 50%。

此项研究揭示,相同浓度的金属盐溶液的细胞毒性要稍高于其合金浸提液,这可能与合金浸提液的浸提条件,以及合金浸提液中未检出的其他金属离子的保护作用有关。因此在使用金属盐溶液替代合金浸提液时,应充分考虑这一点[7]

在对镍铬合金的细胞反应研究中发现,镍铬合金的腐蚀产物并不对细胞的形态、成活率产生影响,但能减少细胞的增殖[8]。许多研究者使用金属盐溶液对细胞的形态学、成活率、增殖、克隆形成能力以及对人红细胞的溶血作用和对细菌生长情况进行评价[9-15]。结果发现镍盐溶液对细胞的毒性大于铬盐溶液,且镍离子能被成纤维细胞摄取,并与细胞核、胞质、线粒体和微粒体结合[16-17]。当对不同形态的纯镍(颗粒、盘状或薄片)进行研究时发现,镍能与多个酶系统发生作用,改变细胞形态、减少细胞数量、增加红细胞溶血,且其效应要显著强于纯铬[9-10,18-21]。镍铬合金与纯镍在细胞毒性方面的差异,可能是由于铬的惰性,能在合金表面形成铬氧化物保护膜所致[8]。Alexis David 和 Doug Lobner[22] 使用鼠皮质细胞检测镍钛合金的神经毒性,研究未发现镍钛合金具有神经毒性,这可能与含镍正畸丝在模拟唾液环境中所释放的镍离子浓度很低有关,不足以对细胞产生毒性[23]。对镍钛合金的细胞毒性研究也同样没有发现其不同浓度的浸提液对人皮肤成纤维细胞(PK84)具有毒性,未见细胞溶解、未见细胞内出现颗粒或细胞形态学改变[24]。而其他研究者使用颗粒状态的镍钛合金浸提液进行试验时观察到 DNA 合成的减少,从而抑制细胞生长,并由此得出结论认为镍钛合金具有细胞毒性[25]。但这显然不能代表镍钛合金在临床使用中的状态。虽然关于镍及其合金的细胞毒性研究已经进行了很多,但是结论却都不完全一致,且关于其机制的探讨还很少,目前所知的镍毒性可能与其在细胞水平的摄取、转运、分布和保留有关[26]。镍通过 Mg2+ 转运系统[27],或者钙和铁通道扩散被细胞摄取[28-31],而最有效的摄取方式则是通过细胞吞噬[32-33]。镍离子进入循环系统后,通过与蛋白质结合而分布于全身[34],对局部组织产生生物学效应。

2 镍 / 镍合金的致敏性与免疫毒性

与植入相关的金属过敏性的病例已经有了很多报道,研究者也对此进行了大量试验。已知的金属敏化剂(半抗原)有铍、镍、钴和铬,也有少数关于钛过敏的报道。镍是人类已知的最常见的金属敏化剂[35-38]。一般人群的金属过敏患病率在10%~15%,以镍的过敏率最高,大约达到14%[35],而新近报道的镍过敏发生率已经高达 20%~30%[39-44],普遍的证据表明女性的过敏率要高于男性 [45-46]

所有与生物系统接触的金属都会遭受腐蚀并且释放金属阳离子,尽管它们自身并非致敏物,但是它们能够激活机体的免疫系统,与内源性蛋白质结合,形成金属 - 蛋白质复合物,从而引发过敏反应[47-48],但是关于这一反应的细胞识别与激活机制还未进行完全阐述。大部分合金,包括含镍合金的过敏反应型都是由 T 淋巴细胞介导的Ⅳ型超敏反应[49]。在临床表现上以含镍合金植入患者发生接触性皮炎为主要症状,包括荨麻疹、湿疹、红斑、瘙痒,严重出现紫癜 [35,37-38],一旦从体内将植入体去除,患者的接触性皮炎也即刻好转。

在镍过敏患者体内参与免疫反应的淋巴细胞主要为CD4+ 和 CD45RO+ 细胞,并未发现 CD8+ 和 CD8+CD11b+ 细胞,致敏的 T 淋巴细胞能够识别Ⅱ类主要组织相容性复合体分子中的镍元素。朗格汉斯细胞被认为是皮肤过敏的首要抗原提呈细胞,而与植入相关的过敏反应的主要抗原提呈细胞还不清楚[50]

由于金属离子可能对局部和全身免疫功能造成损害,因此研究者通过体外和体内试验对免疫学参数进行了研究。在体外使用人成纤维细胞和角化细胞测试经镍处理后其炎性介质的表达情况时发现,白细胞介素 IL-6 的表达增加,而此时的镍离子浓度还未达到细胞毒性水平[7]。此外,镍还可以改变巨噬细胞蛋白质的分泌,在亚细胞毒性浓度下,镍溶液还引起 THP-1 单核细胞的 IL-1α 和肿瘤坏死因子TNF-α 的分泌增加[51-52],以及促进内皮细胞表达选择素 E和细胞间黏附分子 -1(ICAM-1 )[53], 但也有研究显示在相同的浓度水平下,镍离子可以减少经脂多糖刺激的内皮细胞的 ICAM-1 分泌[54],因此镍离子对内皮细胞分泌 ICAM-1 的影响并未有定论。

在体内研究中,Zalkind 等[55] 将含镍合金植入小鼠体内,以考察其对淋巴细胞亚群的影响,结果并未观察到淋巴细胞亚群的改变。在患者植入镍合金 6 个月后,对其循环T 淋巴细胞和其他参数,如血细胞比容、白细胞总数和分类、血清和唾液中镍浓度进行测试,结果发现血清和唾液中的镍浓度并未发生改变,T 淋巴细胞和单核细胞的数量也未发生变化,但是循环血液中的嗜酸性粒细胞减少,而中性粒细胞和嗜碱性粒细胞增加,由于嗜碱性粒细胞参与过敏反应,因此并不能排除过敏反应是由镍合金中金属离子的释放造成的[56]。在 1 名 20 岁的患者去除镍合金牙冠后,其 T淋巴细胞的比例由 56% 提高至 77%,该病例提示镍可能对循环 T 淋巴细胞有不良作用[57]。综合已有的相关文献,目前尚不能得出关于镍对循环 T 淋巴细胞效应的明确结论。

尽管上述研究表明镍能够激活免疫细胞和免疫系统,引起迟发型超敏反应,但事实上使用含镍的齿科合金可能会诱导非敏感个体的免疫耐受,且试验亦证明经口给予镍元素后,确实能诱导实验动物的免疫耐受[58-61]。在一项临床研究中,35% 有过耳钉穿刺经历的女孩在接受正畸治疗前发生镍过敏,而在耳钉过敏前接受正畸治疗的女孩并未发生过敏,因此正畸治疗并不增加对镍过敏的风险,反而降低了对耳钉穿刺过敏的机会 [46]。另外两项对 3000 多名受访者进行的调查问卷显示,佩戴正畸合金并不导致镍敏感个体发生口腔黏膜过敏的危险性增加,反而使之前对耳钉过敏的患者发生过敏性接触性皮炎的频率降低[59,62]。此外,对16 例已知对镍发生皮肤过敏但仍然接受了口腔冠桥(含镍量达到 66%)治疗的患者进行长达 15 年的跟踪随访发现,没有任何一例患者出现口腔的或全身的反应,也没有加剧原有的皮肤损伤[60]。因此尽管有少量关于镍过敏的病例报道,但是很多国家还没有禁止或限制镍合金在医疗领域的应用。

3 镍 / 镍合金的致癌性与致突变性

镍合金目前还未被欧盟划分为致癌物,但已在欧盟筹备管理会的考虑之中。镍元素和金属镍已经被欧盟划分为3 类致癌物,即可能具有潜在致癌作用,但还没有足够信息对其进行评估[63]

对镍冶炼厂的工人进行的流行病学研究并未得出镍与癌症的因果关系结论,虽然有证据表明镍冶炼工人罹患呼吸道肿瘤(肺癌、鼻癌等)的发病率明显高于非镍冶炼工,但是由于镍冶炼工同时还接触其他一些可能具有致癌性的金属和化学物,因此不能从流行病学角度清晰阐明镍与肿瘤的关系[64]

在实验室方面,通过各种途径给予实验动物镍化合物,能够诱发大鼠、小鼠、豚鼠和兔等动物的恶性肿瘤[65-68],而镍化合物的致癌性与其在水中的溶解性呈相反的关系,即微溶性镍盐(镍金属尘埃、硫化镍、碳酸镍、氧化镍等)更易诱发癌症,而可溶性镍盐(氯化镍、硫酸镍等)为非致癌物[69-70]。通过骨内、肌肉内、皮下和腹腔注射不溶性镍化合物,能够导致骨肉瘤、纤维肉瘤、横纹肌肉瘤等肿瘤的形成[69]

这些镍化合物引发呼吸道肿瘤的机制尚未完全阐明,而其具有微弱的致突变性则在体外试验中得以体现。这些镍化合物能够加重紫外线导致的细胞毒性和致突变性,并干扰参与 DNA 损伤识别的 DNA- 蛋白质相互作用,即阻止蛋白质与被紫外线损伤的 DNA 结合,从而干扰紫外线引起的 DNA 损伤修复[70-72]

使用人肾脏上皮细胞进行体外研究,结果发现镍的致癌作用可能涉及对正常生长调节具有重要作用的基因改变[73]。已知不溶性颗粒状镍化合物通过吞噬作用被细胞摄取,这些颗粒在细胞内被溶解,从而释放能够损伤染色体的镍离子 [74]。Werfel 等[75]观察到职业接触铬和镍的焊接工的淋巴细胞发生 DNA 单链断裂等损伤。氧化损伤似乎在解释镍的致癌机制和急性毒性机制方面也占有十分重要的作用。有研究表明二价镍的致癌性主要是由于自由基的作用导致,二价镍与细胞核蛋白结合,引起完整的哺乳动物细胞产生大量活性氧,使 DNA 不同位点发生损伤[76-78]

不同镍化合物的不同毒性作用取决于它们不同的理化特性,因此很难将对某一特定镍化合物的研究应用到其他研究中,或者外推到镍本身。关于镍致癌性的研究主要集中在职业接触镍盐引发呼吸道肿瘤方面,目前还没有关于金属镍或含镍合金通过吸入或皮肤接触,从而引发肿瘤的报道,也没有关于齿科镍合金引起口腔肿瘤的报道。

Wever 等[34] 对镍钛合金的遗传毒性进行了研究,试验显示在鼠伤寒沙门氏菌回复突变试验与染色体畸变试验中并未引起阳性结果。但 Ulvi Kahraman 等[79]进行的一项研究表明,含镍正畸口腔材料中镍的低水平持久释放,可能是牙龈组织过度生长,引起上皮细胞增殖的启动因素,而不论牙龈组织中镍的含量是否有蓄积。

应用于医疗器械领域的许多合金中都含有镍,尤其是口腔材料。这些合金有长久的成功的临床使用史,而鲜有关于其不良生物学效应的报道。虽然镍盐溶液具有一定的细胞毒性作用,但关于镍合金材料的细胞毒性效应却没有一致的定论;虽然镍是一种中度致敏原,但没有确定的证据表明患者接受含镍合金材料的植入会增加其过敏的风险;虽然职业接触不溶性镍盐会增加罹患呼吸道肿瘤的概率,但却没有关于使用镍合金材料引发癌症的报道。尽管已经进行了大量关于镍的流行病学和实验室机制的研究,但目前尚未对其毒理学行为有明确的阐述,而关于镍合金材料的研究更是未得出有显著意义的进展。关于镍合金生物学评价的研究还在进行中,虽然没有获得阳性结果,但我们还是建议对镍具有高敏感性的个体尽量避免使用含镍合金,或者使用其他不含镍的合金进行替代。

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