細(xì)胞與生物材料聯(lián)合治療脊髓損傷的研究現(xiàn)狀

唐璽和，范益民，藍(lán)勝勇

(1.山西醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院神經(jīng)外科，太原　030001； 2.廣西壯族自治區(qū)人民醫(yī)院神經(jīng)外科，南寧　530021)

脊髓損傷的年發(fā)病率為2.5/10萬(wàn)[1]，損傷后多遺留永久的神經(jīng)功能缺失。脊髓損傷后局部出現(xiàn)血管破裂及細(xì)胞死亡，繼而中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)，導(dǎo)致局部炎癥形成，引起組織損害。損傷一周左右，局部膠質(zhì)細(xì)胞增生，形成瘢痕，阻礙了軸突的重建及脊髓功能的恢復(fù)[2]。目前對(duì)脊髓損傷的主要治療方法是損傷早期通過(guò)外科手術(shù)解除異物對(duì)脊髓的壓迫，重建脊柱的穩(wěn)定性，以大劑量激素聯(lián)合神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)藥物治療。后期以康復(fù)治療促進(jìn)肢體功能恢復(fù)。即便如此，脊髓損傷的治療效果仍不能令人滿意。

利用干細(xì)胞移植治療脊髓損傷已進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，其治療機(jī)理主要包括(1)功能神經(jīng)元替代，即將干細(xì)胞定向分化為功能神經(jīng)元；(2)營(yíng)養(yǎng)支持作用: 針對(duì)局部抑制微環(huán)境和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的缺乏，促進(jìn)局部營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的合成和分泌，改善微環(huán)境，促進(jìn)受損神經(jīng)元軸突再生，同時(shí)促進(jìn)細(xì)胞產(chǎn)生多種細(xì)胞外基質(zhì)，填充局部損傷導(dǎo)致的組織缺損，為軸突再生提供支持物。但是大量研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)移植后的細(xì)胞存活率較低，限制了細(xì)胞移植治療脊髓損傷的應(yīng)用。

組織工程支架可以模擬細(xì)胞外基質(zhì)的生理狀態(tài)，促進(jìn)細(xì)胞的遷移、擴(kuò)增和分化，組織工程支架材料應(yīng)具有以下特點(diǎn)：(1)具有良好的生物生物相容性，不會(huì)引起炎性反應(yīng)等。(2)具有可降解性：植入后能適時(shí)降解。(3)能引導(dǎo)細(xì)胞的遷移、增殖、分化。(4)具有可塑性和一定生物強(qiáng)度：在體外便于塑形，植入后能維持一定時(shí)間。

近些年來(lái)，隨著新型組織工程材料的出現(xiàn)，科研人員嘗試使用細(xì)胞聯(lián)合組織工程支架治療脊髓損傷。將組織材料攜帶細(xì)胞移植于脊髓損傷部位，新型的材料為細(xì)胞生長(zhǎng)提供了良好的環(huán)境，促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)，分化以及與受體細(xì)胞之間的功能重建。本文就分別將目前用于治療的細(xì)胞，組織材料加以綜述。

1　基于細(xì)胞移植治療脊髓損傷

到目前為止，干細(xì)胞用于治療脊髓損傷已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究[3-4]。目前用于治療脊髓損傷研究的干細(xì)胞主要有以下幾種：

1.1　胚胎干細(xì)胞

胚胎干細(xì)胞在體外可以分化為神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞，具有多能性。單純胚胎干細(xì)胞移植很少使用，目前主要使用由胚胎干細(xì)胞分化到神經(jīng)干細(xì)胞或者運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，少突膠質(zhì)細(xì)胞以及聯(lián)合一些化學(xué)小分子治療脊髓損傷[5-6]，可以改善脊髓損傷動(dòng)物模型的運(yùn)動(dòng)功能。2009年，F(xiàn)DA批準(zhǔn)Geron Corporation 進(jìn)行了人胚胎干細(xì)胞來(lái)源的少突膠質(zhì)前體細(xì)胞治療亞急性(傷后7～14 d)脊髓損傷病人的I期臨床試驗(yàn)，但是該實(shí)驗(yàn)在2011年被迫中止。利用胚胎干細(xì)胞來(lái)源的少突膠質(zhì)前體細(xì)胞移植治療脊髓損傷存在以下?tīng)?zhēng)議：(1)脊髓損傷后神經(jīng)元發(fā)生脫髓鞘的理論缺乏依據(jù)，尚無(wú)確切依據(jù)證明脊髓損傷后存在持續(xù)慢性神經(jīng)脫髓鞘過(guò)程，因此，單純移植少突膠質(zhì)細(xì)胞并非首選。(2)從胚胎干細(xì)胞來(lái)源分化的少突膠質(zhì)細(xì)胞可能存在成瘤性，主要是其中混有部分未分化的細(xì)胞或者分化不全的細(xì)胞。(3)亞急性期移植少突膠質(zhì)前體細(xì)胞會(huì)影響脊髓損傷后機(jī)體自身發(fā)生的炎性反應(yīng)，但是至今為止，這種炎癥反應(yīng)是否對(duì)損傷后的康復(fù)有利仍然不明確[7]。

1.2　誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cells，iPSCs)

誘導(dǎo)多能干細(xì)胞為自體干細(xì)胞移植帶來(lái)新的希望，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來(lái)源于自體的組織并能提供足量的移植細(xì)胞，可以降低免疫排斥反應(yīng)。隨著分化技術(shù)的改進(jìn)，大量實(shí)驗(yàn)證明使用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞移植治療是安全的。Paul等[8]將一86歲志愿者的皮膚成纖維細(xì)胞誘導(dǎo)為多能干細(xì)胞并分化為神經(jīng)干細(xì)胞后將其移植到C5半切的大鼠脊髓損傷模型中，實(shí)驗(yàn)證明，移植的細(xì)胞能在大鼠體內(nèi)形成軸突。Nakamura[9]也充分論述了使用iPS分化而來(lái)的神經(jīng)干細(xì)胞移植治療的安全性。

1.3　間充質(zhì)干細(xì)胞

間充質(zhì)干細(xì)胞最早由Friedenstein在骨髓中發(fā)現(xiàn)，稱之為骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞[10]，之后在人體的多種組織中均發(fā)現(xiàn)其存在，其可以分化為成骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、成軟骨細(xì)胞。間充質(zhì)干細(xì)胞用于治療脊髓損傷機(jī)理主要為抑制損傷區(qū)域的免疫反應(yīng)，促進(jìn)損傷區(qū)域的血管再生，釋放生長(zhǎng)因子，促進(jìn)局部神經(jīng)再生[11]。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞已被用于治療脊髓損傷的臨床I期實(shí)驗(yàn)，大約90%急性脊髓損傷患者經(jīng)治療有效，而只有少量的慢性損傷患者，對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞移植治療無(wú)效[12]。

1.4　嗅鞘細(xì)胞

嗅鞘細(xì)胞包被嗅神經(jīng)的軸突，對(duì)于成年哺乳動(dòng)物嗅神經(jīng)的再生與康復(fù)，該類細(xì)胞具有很強(qiáng)的可塑性，成體的嗅鞘細(xì)胞主要從嗅粘膜獲得。Tabakow等[13]利用自體嗅鞘細(xì)胞移植治療3例胸段脊髓損傷患者，術(shù)后一年，手術(shù)組較對(duì)照組損傷平面以下運(yùn)動(dòng)及感覺(jué)損傷有所改善，且手術(shù)組無(wú)腫瘤形成，無(wú)感染病例發(fā)生，目前使用嗅鞘細(xì)胞移植治療脊髓損傷已進(jìn)行臨床II期實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)有的結(jié)果證實(shí)嗅鞘細(xì)胞移植是有效的，安全的。但是Choi等[14]認(rèn)為目前臨床使用嗅鞘細(xì)胞移植治療脊髓損傷，效果缺乏量化標(biāo)準(zhǔn)，嗅鞘神經(jīng)細(xì)胞移植治療脊髓損傷的機(jī)理為其內(nèi)分泌神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子，如腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)子(glial cell line-derived neurotrophic factor，GDNF)、 神經(jīng)生長(zhǎng)因子(nerve growth factor，NGF)等促進(jìn)受體神經(jīng)細(xì)胞的生存[15]。

2　生物組織工程材料植入治療脊髓損傷

隨著生物材料的發(fā)展，新興的生物材料不斷更新，主要分為天然和人工合成的支架材料。天然的生物材料主要有海藻酸鈉、瓊脂糖等。Estrada等[16]比較了海藻鹽、水凝膠、Matrigel用于治療脊髓損傷的效果，發(fā)現(xiàn)海藻鹽的效果優(yōu)于后兩種材料。des Rieux等[17]用海藻鹽攜帶血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)移植入脊髓損傷大鼠體內(nèi)，有明顯的治療作用。瓊脂糖是從海藻和熱凝膠中提取的線性多糖，為常用藥物及大分子載體。Gao等[18]將能釋放BDNF的骨髓基質(zhì)細(xì)胞聯(lián)合瓊脂糖置入脊髓全切模型大鼠損傷部位，可以促進(jìn)損傷部位神經(jīng)軸突的生長(zhǎng)。人工合成的生物支架材料主要有人工合成聚乳酸、聚羥基酸、聚乙二醇等。如Mobasseri等[19]使用多聚乳酸材料移植能有效促進(jìn)大鼠神經(jīng)纖維修復(fù)；Runge等[20]使用聚乙二醇合成的水凝膠移植促進(jìn)神經(jīng)纖維修復(fù)。Wen等[21]報(bào)道了將攜帶VEGF與BDNF的聚乳酸微球粒置入管狀的透明質(zhì)酸支架中，移植治療脊髓半切損傷的大鼠模型，取得了明顯的治療作用。但是要用于人體內(nèi)的生物材料必須具備以下特點(diǎn)：(1)具有良好的生物相容性，不會(huì)引起炎性反應(yīng)等。(2)良好的降解性：植入后能適時(shí)降解，并與組織細(xì)胞相適應(yīng)。(3)能引導(dǎo)細(xì)胞的遷移，凋亡。(4)能防止膠質(zhì)瘢痕的形成。(5)高通透性：有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子通透。而用于脊髓損傷修復(fù)的支架材料還應(yīng)該具有其獨(dú)特的性狀，包括：(1)生物支架結(jié)構(gòu)必須更加符合脊髓的構(gòu)造特點(diǎn)。(2)人工支架能夠?yàn)榧顾钃p傷局部營(yíng)造出良好的再生微環(huán)境。脊髓損傷后神經(jīng)纖維再生或植入的神經(jīng)干細(xì)胞存活、增值、分化都需要有適宜的微環(huán)境[22-24]。目前已經(jīng)開(kāi)展研究有針對(duì)性的補(bǔ)充各種神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子、拮抗抑制因子等措施，如在透明質(zhì)酸上加上NT3、BDNF等修飾的分子，將有利于在損傷局部形成神經(jīng)再生的微環(huán)境，提高治療效果。最近Li等[25]使用殼聚糖攜帶神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子NT3移植治療脊髓損傷大鼠模型，發(fā)現(xiàn)緩釋的NT3能夠促進(jìn)大鼠脊髓的神經(jīng)干細(xì)胞遷移到脊髓受損區(qū)域并且分化成神經(jīng)元，形成軸突連接，促進(jìn)大鼠脊髓損傷的修復(fù)。

3　聯(lián)合生物材料及細(xì)胞治療移植治療脊髓損傷

大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示細(xì)胞治療或者生物材料治療脊髓損傷有效，但是，使用單一的治療方法有其局限性。比如：?jiǎn)渭兪褂眉?xì)胞治療不能在損傷部位起到支持作用及維持組織結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；單純使用支架治療，無(wú)法進(jìn)行脊髓損傷后局部死亡神經(jīng)元的替代治療。因此，若能將兩種治療方法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，將可能對(duì)脊髓損傷起到更好的治療作用。到目前為止，大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明了將生物材料聯(lián)合干細(xì)胞移植治療脊髓損傷，有明顯的治療作用。

Xiong等[26]將神經(jīng)干細(xì)胞聯(lián)合聚乳酸支架移植入脊髓損傷大鼠損傷部位，發(fā)現(xiàn)移植后的神經(jīng)干細(xì)胞生存時(shí)間延長(zhǎng)，最終大鼠肢體功能有所恢復(fù)。Lu等[3]發(fā)現(xiàn)，將GFP標(biāo)記的神經(jīng)干細(xì)胞定植在包被有神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的纖維蛋白上，神經(jīng)干細(xì)胞在體外能分化成神經(jīng)元，而且神經(jīng)元細(xì)胞之間有突觸形成。將神經(jīng)干細(xì)胞及包被有神經(jīng)生長(zhǎng)因子的神經(jīng)纖維蛋白移植到脊髓損傷模型后，能明顯促進(jìn)動(dòng)物脊髓損傷的恢復(fù)。Ballios等[27]利用將小鼠視網(wǎng)膜來(lái)源的干細(xì)胞及神經(jīng)干細(xì)胞分別混合在由透明質(zhì)酸和甲基纖維素組成的水凝膠移植到小鼠視網(wǎng)膜及顱內(nèi)，發(fā)現(xiàn)透明質(zhì)酸與甲基纖維素組成的水凝膠能明顯促進(jìn)干細(xì)胞的生長(zhǎng)，以及與周圍神經(jīng)元的整合。除了使用神經(jīng)干細(xì)胞移植治療脊髓損傷外，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BM-MSC)聯(lián)合生物材料也被用于移植治療脊髓損傷。Kang等[28]將骨髓來(lái)源的MSC聯(lián)合多聚乳酸及聚乙醇酸生物支架治療脊髓全切模型，有明顯的治療作用。MSC聯(lián)合天然生物材料，如瓊脂、海藻酸用于移植治療脊髓損傷[18,29]，有比較明顯的治療作用。Raynald等[30]將人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞-透明質(zhì)酸-多聚賴氨酸(hyaluronic acid poly-L-lysine, HA-PLL)移植到脊髓半橫斷模型中，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞聯(lián)合生物材料組較單純細(xì)胞移植組及單純材料移植組能更加明顯改善大鼠運(yùn)動(dòng)功能。在臨床上，栗昭生等[31]使用腰椎穿刺注入的方法移植臍血來(lái)源的神經(jīng)干細(xì)胞治療脊髓損傷，取得良好的治療效果。

總之，脊髓損傷，特別是陳舊性脊髓損傷，目前的臨床治療效果并不令人滿意。隨著不斷更新的生物組織工程材料以及干細(xì)胞移植治療脊髓損傷的出現(xiàn)，必將會(huì)明顯改善脊髓損傷的治療效果。

參考文獻(xiàn)：