田祎，姚東曉，雷德強(qiáng)

（華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院神經(jīng)外科，湖北 武漢 430023）

脊髓損傷（spinal cord injury，SCI）作為一種神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷性疾病，其發(fā)病率呈逐年上升趨勢［1］。研究表明，在中國，SCI 約占所有外傷的0.74%，主要來自于車禍傷及墜落傷，發(fā)病年齡集中在30～50 歲，以男性居多［2-3］。SCI 可導(dǎo)致嚴(yán)重的感覺、運(yùn)動或自主神經(jīng)功能障礙，這大大降低了患者的生活質(zhì)量，給家庭和社會造成沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)［4］。與手術(shù)等傳統(tǒng)的SCI 治療方法相比［5］，通過組織工程技術(shù)結(jié)合細(xì)胞移植治療SCI已引起越來越多的關(guān)注。細(xì)胞移植可以促進(jìn)組織再生，為SCI康復(fù)奠定基礎(chǔ)。而組織工程中的生物材料又在一定程度上提高了移植細(xì)胞的定植率，為SCI后細(xì)胞軸突的再生提供了良好的微環(huán)境，從而在SCI 治療中表現(xiàn)出良好的效果和重要作用。因此，本文從生物材料結(jié)合細(xì)胞移植促進(jìn)SCI修復(fù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 SCI的概述

SCI 病理過程復(fù)雜，按時(shí)間順序可分為3 個(gè)階段，包括急性期、亞急性期以及慢性期。在急性期，SCI主要表現(xiàn)為出血、缺血及損傷后引起的細(xì)胞死亡；在亞急性期及慢性期，缺氧、興奮性細(xì)胞毒性因子以及自由基的生成、血-脊髓屏障的破壞、蛋白酶的釋放等都對神經(jīng)元造成進(jìn)一步損傷。更糟糕的是，被激活的小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和浸潤在損傷周圍的白細(xì)胞共同作用，釋放細(xì)胞因子和化學(xué)因子，形成炎性微環(huán)境，阻礙神經(jīng)修復(fù)和再生［6-7］。若不及時(shí)治療SCI，可能進(jìn)一步引發(fā)二次損傷，將增加嚴(yán)重神經(jīng)功能障礙和永久性殘疾的風(fēng)險(xiǎn)［8］。

目前，藥物治療、手術(shù)減壓和康復(fù)治療被用于處理SCI［9］。然而，SCI 治療效果仍然不能令人滿意。顯然，目前需要探索更合適的治療方法來改善SCI患者的功能。

2 生物材料結(jié)合細(xì)胞移植治療SCI

隨著細(xì)胞工程、移植手段等的發(fā)展，細(xì)胞移植被廣泛應(yīng)用于各個(gè)系統(tǒng)疾病的治療［10］，同時(shí)，也成為SCI 治療的熱點(diǎn)。SCI 的修復(fù)是一個(gè)重大的臨床挑戰(zhàn)，尤其是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重建。細(xì)胞具有增殖和分化的能力，可替代受損的脊髓組織，因此在治療SCI 方面顯示出潛力［11］。常見的用于治療SCI 細(xì)胞有神經(jīng)干細(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）、胚胎干細(xì)胞、雪旺細(xì)胞、嗅鞘等。然而，由于腦脊液的流動及受損傷部位微環(huán)境的影響，移植的細(xì)胞不能有效地定植在損傷部位且細(xì)胞成活率偏低、分化方向不定。為了更好地解決上述問題，研究者通常采用生物材料與細(xì)胞移植相結(jié)合治療SCI，這已經(jīng)被證實(shí)具有很好的療效［12-14］?？偟膩碚f，其優(yōu)勢是生物材料作為細(xì)胞移植的支架，可以改善或取代損傷后的機(jī)體環(huán)境，并提供神經(jīng)修復(fù)所需的物理基質(zhì)和營養(yǎng)。

理想的生物材料應(yīng)具有以下特點(diǎn)［15］：（1）可注射性、剪切稀化和觸變性；（2）生物相容性低、細(xì)胞毒性低、免疫原性差、缺乏致突變性；（3）生物降解性；（4）多孔性；（5）無腫脹。

用于細(xì)胞移植治療SCI 的生物材料種類繁多，主要有天然材料與人工合成材料［16］。根據(jù)其功能和應(yīng)用，可分為三大類：（1）既可作為遞送載體又可構(gòu)建生物支架的水凝膠；（2）主要作為遞送載體的微泡；（3）用于構(gòu)建生物支架的多種生物材料，包括膠原、海藻酸鹽、透明質(zhì)酸和納米超分子材料等。下面對各類生物材料結(jié)合細(xì)胞移植在SCI的治療中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

2.1 水凝膠 水凝膠材料的特點(diǎn)是含水量高，力學(xué)性能與脊髓中的膠原蛋白相似，后者是人類的主要結(jié)構(gòu)蛋白［17-19］。因此，水凝膠材料不僅可以作為細(xì)胞和藥物的載體進(jìn)行傳遞，而且還常作為細(xì)胞支架植入脊髓中。研究發(fā)現(xiàn)，選擇水凝膠作為SCI治療的生物材料，主要是因?yàn)樗z可為軸突和神經(jīng)元再生提供結(jié)構(gòu)支架，搭載細(xì)胞和活性因子，促進(jìn)損傷修復(fù)，不僅能夠更逼真地對機(jī)體環(huán)境、中樞神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬［20］，而且具備多項(xiàng)優(yōu)異的性能，比如：（1）擁有良好生物相容性，避免發(fā)生免疫抑制反應(yīng)；（2）物理、化學(xué)穩(wěn)定性能佳，有效提供細(xì)胞附著、增殖等再生條件［21］；（3）孔隙度和滲透率與適當(dāng)?shù)碾x子，保障營養(yǎng)物質(zhì)、廢物的代謝；（4）良好生物降解性。除此以外，水凝膠經(jīng)注入局部損傷區(qū)域后，對組織缺損進(jìn)行填補(bǔ)，促使組織修復(fù)，且并不會產(chǎn)生侵入性傷害，安全性高。Chen等［22］將堿性成纖維細(xì)胞生長因子（bFGF）與水凝膠結(jié)合并植入SCI 部位，通過評價(jià)兩者的協(xié)同效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)植入8 周后，該水凝膠復(fù)合物可為再生組織的生長提供支架，從而促進(jìn)脊髓損傷后神經(jīng)和功能的恢復(fù)。

2.2 微泡 近年來，關(guān)于微泡的研究主要集中于將其作為藥物載體進(jìn)行靶向遞送，以實(shí)現(xiàn)診療一體化。微泡在超聲的作用下能夠在細(xì)胞膜上形成空隙，促使目的藥物更好地進(jìn)入細(xì)胞，發(fā)揮靶向治療的效果。陳宇等［23］構(gòu)建了SD 大鼠SCI 模型，并對其給予超聲微泡聯(lián)合BMSCs 移植治療。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超聲微泡聯(lián)合BMSCs 移植療法能夠?qū)CI發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)的作用。蔣婉婷等［24］通過超聲微泡靶向介導(dǎo)NT-3 治療SCI，獲得了積極的治療效果：增加殘存的神經(jīng)元，降低炎癥介質(zhì)表達(dá)以及減少細(xì)胞凋亡。

2.3 生物支架 在SCI 早期應(yīng)用生物支架開展治療，能夠糾正脊髓病理生理狀態(tài)，減輕繼發(fā)損傷程度。在穩(wěn)定期應(yīng)用生物支架結(jié)合干細(xì)胞移植、細(xì)胞因子誘導(dǎo)等治療，有助于促進(jìn)脊髓功能的恢復(fù)。因此，生物支架成為細(xì)胞移植治療SCI 的關(guān)鍵。這里主要介紹5 種用于構(gòu)建生物支架的生物材料。

2.3.1 膠原 脊髓膠原是細(xì)胞外基質(zhì)的重要組成部分，具有細(xì)胞黏附作用，故被廣泛用作支架，促進(jìn)干細(xì)胞黏附在支架上從而有利于干細(xì)胞分化和遷移［25］。膠原支架因其優(yōu)異的生物相容性、可接受的生物降解性和低抗原性，成為SCI修復(fù)的獨(dú)特生物材料。此外，在SCI部位，膠原還可以攜帶生長因子，調(diào)節(jié)局部微環(huán)境，減少瘢痕形成，有利于損傷的恢復(fù)［26］。Cholas等［27］研究表明，在大鼠SCI 處單獨(dú)植入Ⅰ型膠原蛋白支架，4 周后觀察發(fā)現(xiàn)，支架上的巨噬細(xì)胞和血管生成的數(shù)量減少，這為加強(qiáng)SCI的再生反應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。Ma等［28］報(bào)道了一種天然生物神經(jīng)支架，該支架由膠原海綿、bFGF 和神經(jīng)干/祖細(xì)胞（NS/PCs）組成，可使修復(fù)組織與脊髓縱向?qū)R，減少充滿液體的囊腫，阻止肌肉組織和結(jié)締組織分解到受損區(qū)域，并輸送神經(jīng)干細(xì)胞和基因，從而加速再生速度并提供足夠的功能恢復(fù)。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所［29］于2015年1月17日宣布，世界首例使用神經(jīng)再生膠原支架結(jié)合BMSCs 治療SCI 的臨床研究取得成功，該支架可以減少損傷部位瘢痕的形成，引導(dǎo)神經(jīng)生長。在長期觀察試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，該支架能夠有效促進(jìn)動物運(yùn)動功能的恢復(fù)，包括站立及行走。

2.3.2 殼聚糖 殼聚糖是一種天然多糖，具有生物相容性、無毒、抗菌和可生物降解。它還具有促進(jìn)細(xì)胞附著和生長的粘性，使其成為理想的支架材料［30］。然而，它有高膨脹和快速降解的缺點(diǎn)，所以當(dāng)應(yīng)用于SCI治療時(shí)，它通常與其他材料結(jié)合使用。朱旭等［31］利用膠原蛋白和殼聚糖制備多孔可降解支架，用于治療SD 大鼠的SCI，發(fā)現(xiàn)其可以填充脊髓腔，減少膠質(zhì)瘢痕的形成，促進(jìn)中樞神經(jīng)再生，恢復(fù)后肢運(yùn)動功能。陳星穎等［32］利用神經(jīng)營養(yǎng)因子3（NT3）和殼聚糖合成了NT3-殼聚糖支架，該支架具有生物活性，植入后可為SCI修復(fù)提供良好的微環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元新生及軸突再生。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)將NT3-殼聚糖生物活性支架植入與康復(fù)訓(xùn)練聯(lián)合使用，能有效防止后肢骨骼萎縮和功能退化的作用。

2.3.3 海藻酸鹽 海藻酸鹽是一種自然存在于海藻細(xì)胞壁中的親水性線性多糖。由于海藻酸鹽特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)和特性，它通常被用作治療SCI的黏合劑或穩(wěn)定劑［33］。此外，海藻酸鹽支架還被用作BMSCs 的合適儲存庫。研究表明，植入2 mm 長的毛細(xì)血管水凝膠的海藻酸鹽能夠融入損傷部位而不產(chǎn)生毒性，促進(jìn)軸突再生，并觀察到BMSCs的存活以及雪旺細(xì)胞和血管的增生［34］。Wen 等［35］用整合素配體（α3β1）修飾海藻酸鹽水凝膠，并在體外培養(yǎng)3個(gè)月，這種三維培養(yǎng)系統(tǒng)被證明有助于神經(jīng)祖細(xì)胞的包封和分化。

2.3.4 透明質(zhì)酸 透明質(zhì)酸是一種天然聚合物，已被廣泛研究用于支架生產(chǎn)。作為細(xì)胞外基質(zhì)的一個(gè)組成部分，透明質(zhì)酸具有生物相容性，通常與各種細(xì)胞受體相互作用，協(xié)調(diào)細(xì)胞的通信和行為。重要的是，透明質(zhì)酸可以進(jìn)行各種簡單的化學(xué)修飾，允許聚合物鏈之間的交聯(lián)和形成高度可調(diào)的支架。何志江等［36］將54只雌性SD 大鼠納入研究，建立SCI模型，并在損傷區(qū)域注射入構(gòu)建的透明質(zhì)酸類生物材料。研究發(fā)現(xiàn)，透明質(zhì)酸類生物材料在緩慢釋放神經(jīng)營養(yǎng)因子后，不僅具有封閉硬脊膜缺損的功效，而且可以減輕炎癥反應(yīng)，促進(jìn)神經(jīng)再生。除此之外，基于透明質(zhì)酸的水凝膠還可以將治療藥物（例如干細(xì)胞、藥物、生長因子）局部輸送到中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷或疾病區(qū)域，從而提高治療效果［37］。對于干細(xì)胞輸送應(yīng)用，基于透明質(zhì)酸的水凝膠具有可調(diào)性，允許設(shè)計(jì)、定制微環(huán)境，從而能夠影響干細(xì)胞的命運(yùn)，并為移植的細(xì)胞提供保護(hù)。小分子藥物可以通過基于透明質(zhì)酸的水凝膠直接傳遞，以引起所需的治療反應(yīng)。生物分子則可以被拴在透明質(zhì)酸聚合物鏈上或嵌入水凝膠中進(jìn)行局部傳遞。Elliot Donaghue等［38］通過實(shí)驗(yàn)表明，基于透明質(zhì)酸的水凝膠輸送NT-3 可促進(jìn)SCI 后的軸突再生，改善了大鼠的運(yùn)動功能恢復(fù)。

2.3.5 納米超分子材料 精細(xì)結(jié)構(gòu)的納米超分子材料有利于與細(xì)胞表面受體和細(xì)胞成分相互作用，也可為重塑細(xì)胞微環(huán)境提供有力條件［39］。隨著組織功能技術(shù)和基因工程的發(fā)展，醫(yī)用納米超分子作為脊髓組織工程支架材料，不僅能夠提高細(xì)胞與材料的黏附性、生物相容性和生物降解性，而且更有利于細(xì)胞分化與增殖。如果將基因工程與納米生物材料的優(yōu)勢聯(lián)合起來，可以為SCI的臨床治療提供一條新途徑［39］。Sun 等［40］制備了梯形神經(jīng)導(dǎo)管（LNCs）和納米纖維神經(jīng)導(dǎo)管（NNCs），并將其分別植入完全脊髓橫斷的大鼠體內(nèi)。實(shí)驗(yàn)表明，這2 種植入物都能有效緩解疤痕形成和炎癥，恢復(fù)神經(jīng)干細(xì)胞，并通過抑制細(xì)胞在支架中的浸潤和積累增加神經(jīng)纖維的生長。特別是，NNCs 進(jìn)一步促進(jìn)了引導(dǎo)軸突的延伸，為SCI 后的神經(jīng)再生提供了一個(gè)良好的微環(huán)境。此外，Sun等［41］還通過明膠修飾多通道納米纖維支架并結(jié)合NT-3 獲得高比表面積的納米纖維支架，將其植入大鼠完整的橫斷脊髓中，可限制膠原蛋白/星形膠質(zhì)細(xì)胞瘢痕的形成，促進(jìn)橫斷SCI 后的神經(jīng)再生。Li等［42］報(bào)道了將納米水凝膠與人脂肪來源的干細(xì)胞結(jié)合調(diào)節(jié)炎癥微環(huán)境，保護(hù)神經(jīng)元和軸突，促進(jìn)嚴(yán)重SCI大鼠運(yùn)動功能恢復(fù)。

3 小結(jié)

細(xì)胞移植對損傷部位的干細(xì)胞進(jìn)行定向分化來實(shí)現(xiàn)神經(jīng)修復(fù)的治療手段越來越受到學(xué)者們的關(guān)注，而引入生物材料試圖解決單純細(xì)胞移植中可能出現(xiàn)的各種問題，無疑是當(dāng)前和未來SCI治療的研究趨勢，這為SCI 的治療增加了新的可能性。然而，生物材料與細(xì)胞移植相結(jié)合治療SCI也存在很多問題需解決。眾所周知，許多生物材料的應(yīng)用還處于實(shí)驗(yàn)階段，實(shí)驗(yàn)動物與人類機(jī)體的差異使得一些材料的有效性和安全性有待研究。同時(shí)，如何提高細(xì)胞的存活率，如何使其分化為有利于神經(jīng)修復(fù)的神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞，并保證其不會過度增殖或異常分化，對機(jī)體造成不可預(yù)知的損傷，也需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。最后，如何將新的治療方法應(yīng)用于臨床實(shí)踐，如何獲得患者的信任，以及新的治療方法的成本等問題仍有爭議。雖然生物材料和細(xì)胞移植的結(jié)合為治療SCI帶來了新的希望，但仍存在很多問題，但相信隨著研究的深入，這些問題最終會得到解決，SCI的治療也會迎來新的突破。