組織工程人工合成支架在脊髓損傷中的應(yīng)用

張清政 石 博 莊新明 付長峰

(吉林大學(xué)第一醫(yī)院脊柱外二科，吉林 長春 130021)

脊髓損傷是指一類由外傷或疾病所致的嚴(yán)重中樞神經(jīng)損害，常表現(xiàn)為損傷支配區(qū)域的運動、感覺喪失。近年來，隨著交通工具數(shù)量的上升、人口老齡化加劇和社會的快速發(fā)展等因素，脊髓損傷因其發(fā)生率高、致殘率高、死亡率高、治療費用高和發(fā)病率正逐年上升等特點已成為世界性的醫(yī)療難題〔1〕。相比于周圍神經(jīng)損傷，脊髓損傷的修復(fù)更加困難〔2〕：第一，脊髓不能充分提供損傷軸突再生所需的營養(yǎng)物質(zhì)和微環(huán)境〔3〕；第二，在脊髓損傷后，會形成由炎癥細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、髓磷脂、小膠質(zhì)細(xì)胞和壞死細(xì)胞碎片等物質(zhì)構(gòu)成的神經(jīng)疤痕，阻礙斷裂的軸突兩端接觸再生〔4〕；第三，不同于外周神經(jīng)，脊髓沒有神經(jīng)外膜和神經(jīng)束膜，這也限制了神經(jīng)的再生。這些因素共同使得脊髓損傷所致的功能喪失往往是持久性的，乃至伴隨終生。

目前對于脊髓損傷治療的研究主要集中在機制研究、生物干細(xì)胞治療、組織工程、基因治療、藥物篩選等方面。其中，組織工程對于脊髓損傷的治療有著不可替代的優(yōu)勢〔5，6〕。植入的組織工程支架可以起到橋接損傷缺損、阻止膠質(zhì)疤痕的形成并為從損傷處到遠(yuǎn)端組織的軸突再生提供接觸性引導(dǎo)的作用。同時，理想的支架也可以起到最小化局部炎癥反應(yīng)、抑制細(xì)胞凋亡或壞死、變更局部神經(jīng)化學(xué)或呈遞神經(jīng)營養(yǎng)藥物到損傷部位的功能〔7〕。無疑，組織工程在神經(jīng)再生領(lǐng)域大有可為。作為組織工程支架的基礎(chǔ)，對支架材料的探索無疑一直是研究熱點之一〔8〕。組織工程支架材料大致可分為天然組織工程支架材料和人工合成組織工程支架材料兩類〔9〕。相比于天然組織工程支架，人工合成組織工程支架具有機械性質(zhì)和降解速率可調(diào)、原料來源更廣泛、更容易根據(jù)需要調(diào)整空間結(jié)構(gòu)等特點，在神經(jīng)再生，尤其是脊髓損傷再生方面的研究中有著廣泛應(yīng)用。本綜述將總結(jié)理想的組織工程人工合成神經(jīng)支架應(yīng)具備的性質(zhì)和在脊髓損傷領(lǐng)域中的主要人工合成支架。

1 組織工程人工合成支架應(yīng)具備的性質(zhì)

通常而言，理想的神經(jīng)支架需具備以下性質(zhì)：

生物相容性。因支架與周圍組織直接接觸，支架需具有卓越的生物相容性才能滿足神經(jīng)再生需要。生物相容性低會引起毒性反應(yīng)和人體的免疫應(yīng)答，這對于神經(jīng)再生會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。而適宜的生物相容性則可通過調(diào)節(jié)局部神經(jīng)化學(xué)縮短周圍損傷組織的再生時間，以提升神經(jīng)損傷的修復(fù)效果。

可降解性。理想的生物支架應(yīng)在機體中降解為無害產(chǎn)物，為損傷后的神經(jīng)再生提供空間，并避免取出支架的二次手術(shù)所帶來的傷害。生物可降解支架的降解速率應(yīng)該基于神經(jīng)再生速率進(jìn)行謹(jǐn)慎調(diào)節(jié)，支架的過快降解不能為神經(jīng)損傷起到足夠的支持效果，同時，過低的降解速率也會阻礙損傷的再生重構(gòu)〔10～12〕。

適宜的機械性質(zhì)。支架的機械性質(zhì)，例如強度、拉伸性和柔韌性等應(yīng)與缺損神經(jīng)和宿主組織接近。組織工程產(chǎn)物需承受周圍組織所帶來的重復(fù)壓縮力作用而不產(chǎn)生明顯形變，另一方面，支架應(yīng)具備適宜的柔韌度以適應(yīng)人體的移動，避免位置不正帶來的物理損傷。目前，諸如化學(xué)交聯(lián)、復(fù)合材料混合或電紡絲技術(shù)等多種方法已被應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域，以提升支架的機械性質(zhì)〔13〕。

立體三維結(jié)構(gòu)。理想化的神經(jīng)支架也應(yīng)該具有三維空間架構(gòu)來促進(jìn)傷口愈合，并為細(xì)胞在組織工程支架表面的吸附提供空間。此外，三維多孔結(jié)構(gòu)可模擬神經(jīng)細(xì)胞外基質(zhì)的作用，促進(jìn)細(xì)胞連通，這對細(xì)胞的存活和生長意義重大〔14〕。

可充當(dāng)藥物載體。理想的神經(jīng)支架可起到藥物呈遞的作用。生物活性分子，例如抗炎性藥物、抑制劑和神經(jīng)營養(yǎng)因子等，可由支架的呈遞取得最佳治療效果。同時，組織工程支架可實現(xiàn)被呈遞藥物的長期和可控釋放，以滿足神經(jīng)再生的需要。

2 人工合成支架在脊髓損傷治療方面的應(yīng)用

2.1可降解組織工程支架 生物可降解高分子材料因其生物降解性和可調(diào)節(jié)的機械性質(zhì)在神經(jīng)再生領(lǐng)域中扮演者重要角色。目前在神經(jīng)再生領(lǐng)域，對于生物可降解支架的研究主要集中于聚己內(nèi)酯(PCL)、聚乳酸-聚羥基乙酸(PLGA)、聚乳酸(PLA)和聚乙二醇(PEG)。

PCL是一種理想的脂肪族高分子材料，具有良好的生物相容性、生物降解性、溫度穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)秀的機械性能，現(xiàn)應(yīng)用于許多醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究中〔15〕。研究表明，PCL有著促進(jìn)軸突再生的髓鞘化過程的作用，這對于神經(jīng)再生有著重要意義〔16〕。例如，Silva等人制備了基于PCL和淀粉的3D神經(jīng)支架，將其應(yīng)用于T8-T9半切脊髓損傷Wistar大鼠模型的治療〔17〕。相比于對照組，移植了神經(jīng)支架的大鼠在運動功能評估、平衡能力檢測和組織學(xué)評估等方面均表現(xiàn)出明顯提升。這證實了PCL支架對于脊髓損傷大鼠的運動功能具有顯著改善作用。

PLGA是乳酸和乙醇酸單體通過共聚作用形成的聚合產(chǎn)物。PLGA的降解速率可以通過改變聚乳酸和乙醇酸的比例得到精確調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)這一比例，也可以實現(xiàn)對其物理和化學(xué)性質(zhì)的調(diào)整，例如形變、彎曲度、膨脹性和滲透性等，這一特點使得PLGA成為了組織工程支架的理想材料〔18，19〕。同時，PLGA支架亦可作為藥物和細(xì)胞載體，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域〔20～23〕。在脊髓損傷治療領(lǐng)域，PLGA有著諸多應(yīng)用〔24〕。例如，Kim等〔25〕人將神經(jīng)干細(xì)胞種植在PLGA支架中，并將其移植到犬類脊髓損傷模型損傷處。結(jié)果顯示，這一復(fù)合PLGA支架可起到橋接組織缺損、提升神經(jīng)元功能并最終改善其運動功能的作用。史廷春等人通過低溫快速成形工藝制得了多孔PLGA支架，并在其上種植雪旺細(xì)胞，以制得PLGA-SC復(fù)合支架。將該支架應(yīng)用于脊髓損傷大鼠的治療后，BBB評分和形態(tài)學(xué)觀察均證實了其對于脊髓損傷治療的促進(jìn)效果〔23〕。

PLA是在機體中有著廣泛分布的乳酸聚合產(chǎn)物，可以從生物來源簡便獲得。在醫(yī)藥領(lǐng)域中，PLA有著獨到優(yōu)勢，例如降解產(chǎn)物無毒性、無刺激性、良好的可塑性和卓越的生物相容性等，這使得PLA成為組織工程支架的理想材料〔26～29〕。同時，細(xì)胞實驗和動物實驗也證實PLA及其代謝產(chǎn)物對雪旺細(xì)胞、神經(jīng)元和脊髓組織有著良好的生物適性。因此，PLA是充當(dāng)神經(jīng)再生中細(xì)胞載體的理想材料〔30〕。例如，Andres等人制備了種植有NSCs的PLA復(fù)合支架，并在動物實驗中證實該支架可有效促進(jìn)軸突再生和功能康復(fù)〔31，32〕。這一研究充分證實了PLA在脊髓損傷治療領(lǐng)域的獨到作用。

PEG是一種有著抗脂質(zhì)過氧化作用的水溶性高分子，可抑制神經(jīng)組損傷組織中的活性氧自由基增多。這使得PEG成為神經(jīng)組織工程的絕佳材料〔33〕。此外，PEG可以作為誘導(dǎo)劑誘導(dǎo)其他大分子進(jìn)行聚合反應(yīng)，為組織工程的材料選擇增添更多可能〔34〕。Papastefanaki等人制備了功能化的PEG與40nm金納米粒子的復(fù)合支架，并證實在脊髓損傷的早期階段植入該支架可有效促進(jìn)脊髓損傷的治療〔35〕。

2.2不可降解組織工程支架材料 如前所述，非降解性高分子材料并不是組織工程支架的理想材料，在完成神經(jīng)再生結(jié)束后需要進(jìn)行手術(shù)取出，同時也有阻礙軸突從損傷近端長入遠(yuǎn)端的風(fēng)險。但非降解性高分子材料亦有著機械強度高、可穩(wěn)固橋接損傷組織、無毒性降解產(chǎn)物等優(yōu)勢。丙烯酸高分子是非降解性高分子材料的代表，包括聚甲基丙烯酸-2-羥乙酯(PHEMA)、聚羥丙甲丙烯酸甲酯(PHPMA)和聚丙烯腈/聚氯乙烯(PAN/PVC)等〔36，37〕。近來，Kubinova等〔38〕制備了氨基酸重構(gòu)的PHEMA水凝膠。該水凝膠具有多孔結(jié)構(gòu)，并具有脊髓損傷修復(fù)所需的機械性質(zhì)，有望成為未來臨床脊髓損傷治療的方案之一。

2.3電導(dǎo)性材料 電導(dǎo)性材料(CPs)是一類電活性高分子的總稱，可將電機械信號或電化學(xué)信號傳導(dǎo)到細(xì)胞或組織中。在這一領(lǐng)域，聚吡咯(PPy)、聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)和聚苯胺(PANi)是其典型代表〔39，40〕。CPs可將電刺激集中到高分子材料周圍組織中，以之精確調(diào)控神經(jīng)相關(guān)細(xì)胞的再生。同時，CPs的機械性能可以通過混入不同的離子來改變，以滿足神經(jīng)再生的需要。例如，丁建勛等人制備了基于PEG誘發(fā)的氨基酸聚合物和苯胺四聚體構(gòu)成的復(fù)合支架，并搭載有神經(jīng)營養(yǎng)因子等藥物〔41〕。該支架可顯著促進(jìn)脊髓損傷半切大鼠模型的神經(jīng)再生和功能恢復(fù)。雖然對于CPs的研究尚處于初級階段，但電活性神經(jīng)支架和電刺激的協(xié)同治療或可為神經(jīng)再生治療帶來光明前景。

3 總結(jié)與展望

脊髓損傷是一種嚴(yán)重的中樞神經(jīng)損害，因其發(fā)病率逐年上升、修復(fù)困難等特點而受到越來越多的關(guān)注。組織工程支架對于脊髓損傷的治療有著不可替代的作用，而人工合成支架因其獨到優(yōu)勢而備受矚目。合格的人工合成支架應(yīng)具備生物相容性、可降解性、適宜的三維結(jié)構(gòu)、可充當(dāng)藥物載體等性質(zhì)。生物可降解高分子材料因其生物降解性和可調(diào)節(jié)的機械性質(zhì)在神經(jīng)再生領(lǐng)域中扮演者重要角色；不可降解高分子材料雖缺點明顯，但亦有特點；電導(dǎo)性材料方興未艾，或成為未來人工合成支架的發(fā)展方向。

未來，人工合成支架在脊髓損傷方面的研究將集中于以下三個方面。一是對材料方面的探索，發(fā)掘更多可用于人工合成支架的材料；二是對現(xiàn)有材料進(jìn)行工藝上的更新，如電紡絲化、賦予更多的3D構(gòu)型等；三是將現(xiàn)有材料與藥物治療、干細(xì)胞治療、電刺激治療等治療結(jié)合起來，以人工合成支架為核心進(jìn)行復(fù)合治療，以提升對脊髓損傷治療的效果。

人工合成支架的研究尚處于探索階段，還存在著諸多問題，如材料組織相容性及可降解性尚需進(jìn)一步加強、支架三維結(jié)構(gòu)尚無法滿足脊髓灰白質(zhì)等組織結(jié)構(gòu)再生需要等〔42〕。但相信，隨著對人工合成支架的不斷探索和進(jìn)步，必將為臨床脊髓損傷的治療開辟新的篇章。

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