組織工程在面神經(jīng)修復(fù)中的研究進(jìn)展

瞿思維，李養(yǎng)群，陳森，楊喆

(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院整形外科醫(yī)院整形二科，北京 100144)

面癱是由面神經(jīng)功能性或器質(zhì)性損傷而導(dǎo)致的面神經(jīng)傳導(dǎo)功能障礙，進(jìn)而引起面部肌肉功能全部或部分喪失[1]。面部肌肉功能的喪失不僅可導(dǎo)致患者生理障礙，如面部表情喪失、面部肌肉萎縮、視力損傷等[2]；還可給患者造成心理壓力，引起抑郁等負(fù)面情緒[3]。因此，面癱的有效治療對(duì)患者生活質(zhì)量的提高至關(guān)重要。面癱的治療可分為非動(dòng)力性修復(fù)和動(dòng)力性修復(fù)，動(dòng)力性修復(fù)可更好地提高患者的生活質(zhì)量[4]。在動(dòng)力性修復(fù)中，自體神經(jīng)移植作為動(dòng)力源神經(jīng)，為患側(cè)面肌重新提供動(dòng)力。常用的動(dòng)力源神經(jīng)包括對(duì)側(cè)面神經(jīng)、咬肌神經(jīng)、舌下神經(jīng)和副神經(jīng)等[5-7]。自體神經(jīng)移植以適用范圍廣、修復(fù)效果好等優(yōu)勢(shì)被廣為運(yùn)用。面癱修復(fù)中，神經(jīng)移植術(shù)以犧牲一些次要的自體神經(jīng)來(lái)修復(fù)面神經(jīng)。目前，盡量少用或不用自體組織來(lái)修復(fù)缺損組織的組織工程技術(shù)的試驗(yàn)與運(yùn)用已在相關(guān)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展開(kāi)，其中包括面神經(jīng)修復(fù)。神經(jīng)組織工程技術(shù)通過(guò)將干細(xì)胞種植于支架后，輔助使用生物活性因子，制成生物人工神經(jīng)導(dǎo)管，起到替代自體神經(jīng)移植物的作用，發(fā)揮類似于自體神經(jīng)組織修復(fù)的功能?，F(xiàn)從干細(xì)胞來(lái)源、生物活性因子導(dǎo)入、干預(yù)和支架材料選擇三方面對(duì)組織工程在面神經(jīng)修復(fù)中的研究進(jìn)展予以綜述。

1 干細(xì)胞相關(guān)干預(yù)

1.1干細(xì)胞的誘導(dǎo)分化 施萬(wàn)細(xì)胞在周圍神經(jīng)修復(fù)過(guò)程中起關(guān)鍵作用，其作用在損傷發(fā)生后被激活。神經(jīng)周圍的施萬(wàn)細(xì)胞、軸突內(nèi)容物和炎癥神經(jīng)組織與損傷的軸突接觸后，釋放大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生長(zhǎng)誘導(dǎo)分子，促進(jìn)軸突出芽、再生[8]。若未對(duì)周圍神經(jīng)損傷進(jìn)行及時(shí)干預(yù)，施萬(wàn)細(xì)胞發(fā)生凋亡，周圍神經(jīng)修復(fù)能力減弱。因此，許多學(xué)者嘗試使用多種來(lái)源的干細(xì)胞修復(fù)周圍神經(jīng)，且各種來(lái)源的干細(xì)胞單獨(dú)或聯(lián)合材料進(jìn)行周圍神經(jīng)修復(fù)的效果均較好。Murakami等[9]使用膠原蛋白凝膠包埋神經(jīng)祖細(xì)胞修復(fù)大鼠坐骨神經(jīng)缺損的效果較好。Cui等[10]發(fā)現(xiàn)，使用胚胎干細(xì)胞移植可改善大鼠坐骨神經(jīng)嚴(yán)重缺損后的神經(jīng)功能恢復(fù)。Sasaki等[11]利用含有牙髓細(xì)胞的膠原凝膠的硅膠管修復(fù)了大鼠神經(jīng)間隙，修復(fù)效果理想。Ladak等[12]研究顯示，利用分化的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞修復(fù)周圍神經(jīng)的效果優(yōu)于僅使用生物導(dǎo)管進(jìn)行修復(fù)。Uemura等[13]認(rèn)為，誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞來(lái)源的微球體可促進(jìn)周圍神經(jīng)的再生修復(fù)。Syu等[14]將脂肪源性神經(jīng)干細(xì)胞聯(lián)合脫細(xì)胞真皮基質(zhì)作為神經(jīng)導(dǎo)管，可促進(jìn)周圍神經(jīng)橫斷間隙的修復(fù)，上述干細(xì)胞治療周圍神經(jīng)損傷的有效性可能與其在某些生物活性因子或外界環(huán)境刺激下能夠分化成施萬(wàn)細(xì)胞而發(fā)揮分泌神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和協(xié)助髓鞘形成的能力有關(guān)。

近年研究多采用施萬(wàn)細(xì)胞作為面神經(jīng)組織工程的種子細(xì)胞，但也有多種來(lái)源細(xì)胞的運(yùn)用，Guo和Dong[15]將神經(jīng)干細(xì)胞用于面神經(jīng)缺損的人工修復(fù)。Watanabe等[16]發(fā)現(xiàn)，未分化和分化的脂肪干細(xì)胞在面神經(jīng)再生方面具有治療潛力，并可能替代自體神經(jīng)移植。Sasaki等[17]證實(shí)，含牙髓細(xì)胞的膠原支架修復(fù)面神經(jīng)缺損后的功能和電生理效果優(yōu)于自體神經(jīng)移植修復(fù)。Li等[18]研究發(fā)現(xiàn)，嗅鞘細(xì)胞對(duì)面神經(jīng)再生有促進(jìn)作用。Zhang等[19]發(fā)現(xiàn)，使用間充質(zhì)干細(xì)胞生物打印構(gòu)建的組織工程神經(jīng)可促進(jìn)大鼠面神經(jīng)再生。

1.2干細(xì)胞的基因編輯 基因編輯是一種利用工程核酸酶在特定位置編輯基因的技術(shù)，可通過(guò)編輯特定基因控制干細(xì)胞分化為施萬(wàn)細(xì)胞，從而用于面神經(jīng)修復(fù)。Hsu等[20]通過(guò)基因編輯技術(shù)對(duì)大鼠脂肪干細(xì)胞的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子基因進(jìn)行多路激活，使神經(jīng)因子能夠同時(shí)、持續(xù)激活至少21 d，進(jìn)一步將編輯后的干細(xì)胞植入大鼠坐骨神經(jīng)損傷部位，以促進(jìn)神經(jīng)再生。此外，基因編輯還能促使干細(xì)胞表現(xiàn)為某些特性，Tan等[21]使用基因編輯的方法來(lái)減少脂肪干細(xì)胞移植后易纖維化的特性，從而提高其對(duì)面神經(jīng)再生的治療效果。

1.3多細(xì)胞共培養(yǎng)實(shí)現(xiàn)血管化 血管化對(duì)神經(jīng)再生的影響顯著，血管系統(tǒng)可為軸突和相關(guān)細(xì)胞的再生提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可提高其長(zhǎng)期存活率；血管內(nèi)皮細(xì)胞分泌的分子有利于神經(jīng)再生；血管也作為施萬(wàn)細(xì)胞遷移的軌跡，引導(dǎo)軸突的生長(zhǎng)[22]。Gao等[23]為了實(shí)現(xiàn)組織工程神經(jīng)的血管化，通過(guò)在三維復(fù)合支架中共培養(yǎng)施萬(wàn)細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞，可形成血管化神經(jīng)組織工程結(jié)構(gòu)，以更好地促進(jìn)神經(jīng)再生。Sanen等[24]將具有促血管生成作用的分化人牙髓干細(xì)胞種植在神經(jīng)導(dǎo)管內(nèi)，結(jié)果顯示，神經(jīng)導(dǎo)管內(nèi)有神經(jīng)突、髓神經(jīng)纖維和血管生成，分化的人牙髓干細(xì)胞在神經(jīng)再生中發(fā)揮積極作用。

種子細(xì)胞是組織工程中的核心功能表現(xiàn)體，在干細(xì)胞的處理上，通過(guò)誘導(dǎo)分化不同種干細(xì)胞表現(xiàn)出施萬(wàn)細(xì)胞表型，實(shí)現(xiàn)作為面神經(jīng)組織工程種子細(xì)胞的目標(biāo)。基因編輯則是一種重要且直接的干預(yù)方式，可作用于干細(xì)胞，使其表達(dá)所需要的特性。使用干細(xì)胞提高血管化，有助于提高組織工程面神經(jīng)的存活率。

2 生物活性因子

2.1典型神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子 神經(jīng)組織的修復(fù)再生是生物分子和物理信號(hào)刺激受損組織細(xì)胞再生的過(guò)程，而生物分子在模擬神經(jīng)組織修復(fù)過(guò)程的神經(jīng)組織工程中具有重要性。這些生物分子能有效促進(jìn)受損神經(jīng)組織再生，招募干細(xì)胞并誘導(dǎo)其分化為成熟神經(jīng)元。較典型的3種神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子是神經(jīng)生長(zhǎng)因子、腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子-3。神經(jīng)生長(zhǎng)因子不僅能通過(guò)抗凋亡作用促進(jìn)神經(jīng)元存活，還能促進(jìn)中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)中神經(jīng)元群的存活，特別是支持外周交感神經(jīng)和神經(jīng)嵴衍生的感覺(jué)神經(jīng)元的生長(zhǎng)和存活；腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子可促進(jìn)感覺(jué)背根神經(jīng)節(jié)的感覺(jué)神經(jīng)元和迷走神經(jīng)節(jié)的神經(jīng)元，腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子還有助于運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元及其軸突的存活和生長(zhǎng)，而對(duì)交感神經(jīng)元的影響最小；神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子-3能夠促進(jìn)椎旁交感神經(jīng)節(jié)的神經(jīng)突生長(zhǎng)，與神經(jīng)生長(zhǎng)因子或腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子相比，其作用具有特異性[25]。

2.2非典型神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子 除典型的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子外，其他類型的生化因子可促進(jìn)神經(jīng)組織的再生修復(fù)，如成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子、膠質(zhì)細(xì)胞來(lái)源的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子、胰島素樣生長(zhǎng)因子和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子等[26-27]。Ma等[28]采用可持續(xù)遞送膠質(zhì)細(xì)胞來(lái)源的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子膠原管道修復(fù)面神經(jīng)的效果良好，其修復(fù)神經(jīng)的再生程度與自體神經(jīng)離斷再吻合治療接近，優(yōu)于其他神經(jīng)導(dǎo)管移植治療。Cui等[29]采用睫狀神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子修飾膠原支架，結(jié)果顯示，該復(fù)合導(dǎo)管具有良好的性能，可有效促進(jìn)實(shí)驗(yàn)豬的面神經(jīng)再生。Ma等[30]使用錨定堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子鼠尾膠原的神經(jīng)導(dǎo)管促進(jìn)管內(nèi)干細(xì)胞增殖的研究顯示，該神經(jīng)導(dǎo)管可有效促進(jìn)面神經(jīng)生長(zhǎng)和功能恢復(fù)，且效果與自體神經(jīng)移植相近。

神經(jīng)組織工程的血管化還能通過(guò)與成纖維細(xì)胞共培養(yǎng)或添加血管生成生長(zhǎng)因子來(lái)實(shí)現(xiàn)。Bin等[31]通過(guò)構(gòu)建基于血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子-肝素緩釋系統(tǒng)的血管化組織工程神經(jīng)，實(shí)現(xiàn)移植區(qū)早期血管化，極大地提高了神經(jīng)再生的速度。神經(jīng)組織工程中特定神經(jīng)生物活性因子的神經(jīng)修復(fù)效果較好，推測(cè)其與組織工程聯(lián)合使用的效果較好，但使用劑量、作用時(shí)間、作用途徑、作用方式等仍需深入探索，以發(fā)揮更好的效果。

3 生物支架

3.1聚合材料 生物材料支架可以誘導(dǎo)軸突再生。目前神經(jīng)組織替代材料所使用的神經(jīng)導(dǎo)管多為圓柱形管道或圓柱形多孔結(jié)構(gòu)，以容納種子細(xì)胞和生物活性因子，利于誘導(dǎo)再生[32]。不同管道材料的性能也存在差異。由于聚合物本身具有良好的延展性、抗拉強(qiáng)度、易于縫合等特性，且可能影響仿生基體的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，符合神經(jīng)組織工程材料的需求，聚合物是神經(jīng)組織工程支架材料的首選。聚合物一般可分為合成聚合物和天然聚合物。合成聚合物由實(shí)驗(yàn)室中的單體以各種形式聚合而成。合成生物材料(如聚乳酸和聚乳酸-乙醇酸)具有低炎癥反應(yīng)和易于加工的優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用。聚乳酸-乙醇酸支架具有黏附施萬(wàn)細(xì)胞并引導(dǎo)其生長(zhǎng)的特性。膠原蛋白、殼聚糖和絲素蛋白等天然聚合物均從生物體內(nèi)獲取，在外周神經(jīng)組織工程的運(yùn)用也較多，Liu等[33]采用殼聚糖神經(jīng)導(dǎo)管聯(lián)合微球緩釋神經(jīng)生長(zhǎng)因子修復(fù)家兔面神經(jīng)缺損的效果顯著。Si等[34]開(kāi)發(fā)的殼聚糖/膠原復(fù)合支架作為外周神經(jīng)再生支架材料表現(xiàn)出良好的性能。Xue等[35]使用電紡絲技術(shù)制造了用于連接犬坐骨神經(jīng)間隙的絲素蛋白神經(jīng)支架，且再生效果良好，與自體神經(jīng)移植的效果相近。水凝膠作為一種特殊的親水性高分子材料應(yīng)用于神經(jīng)組織工程，具有良好的生物相容性，其多孔結(jié)構(gòu)能夠運(yùn)載細(xì)胞，并可緩釋所運(yùn)載生物活性因子。水凝膠作為支架材料可通過(guò)改變分子組成獲得一定抗外力及導(dǎo)電作用，Dong等[36]研制出一種具有光刺激反應(yīng)和可拉伸性的導(dǎo)電聚合物水凝膠，可作為周圍神經(jīng)嚴(yán)重?fù)p傷的生物支架材料。此外，一些熱門(mén)材料(如石墨烯)還可作為復(fù)合材料中的輔助材料，賦予支架材料新的組織特性，Jaswal等[37]研發(fā)了一種聯(lián)合納米石墨烯包裹金納米粒子的聚己內(nèi)酯電紡絲納米纖維支架，支架中裝載的石墨烯包裹金納米粒子對(duì)神經(jīng)突的生長(zhǎng)有較大影響，可使神經(jīng)突長(zhǎng)度增加1倍。

3.2生物復(fù)合材料 合適生物支架的選擇取決于其生物相容性、孔隙度、生物可吸收性和機(jī)械強(qiáng)度。①支架的生物相容性要求生物材料可與機(jī)體結(jié)合，而不會(huì)產(chǎn)生極端免疫排斥反應(yīng)；②生物支架的孔隙度適當(dāng)，生物支架通過(guò)影響細(xì)胞浸潤(rùn)和增殖而發(fā)揮作用，用于軟組織的生物支架重新吸收后可逐漸被再生組織取代，故生物支架需要具有生物可吸收性，并能體內(nèi)逐漸分解成無(wú)毒的代謝產(chǎn)物；③生物支架的機(jī)械性能必不可少，生物替代材料植入過(guò)程需要載體具有穩(wěn)定的機(jī)械強(qiáng)度。許多天然和合成材料都具有一定的特性，因此可通過(guò)不同比例的組合而獲得最佳性能[25]。Jang等[38]提出了一種由聚乳酸微纖維輔以膠原蛋白和人臍帶血清組成的新型生物復(fù)合纖維神經(jīng)導(dǎo)管，這種神經(jīng)導(dǎo)管在面神經(jīng)損傷修復(fù)再生方面表現(xiàn)出更高的生物活性。復(fù)合材料還具有促進(jìn)組織工程神經(jīng)導(dǎo)管血管化的作用，Wang等[39]建立了一種以絲素蛋白為基礎(chǔ)的復(fù)合納米纖維材料，其能顯著促進(jìn)成纖維細(xì)胞的增殖，并使血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子水平明顯升高，促神經(jīng)修復(fù)效果較好。

3.3脫細(xì)胞組織材料 除聚合物外，脫細(xì)胞組織作為一類具有潛力的生物來(lái)源材料被不斷研究探索。Sun等[40]將經(jīng)分化的自體脂肪干細(xì)胞種植于脫細(xì)胞的異體動(dòng)脈導(dǎo)管修復(fù)大鼠面神經(jīng)缺損，獲得一定療效。Wüthrich等[41]采用脫細(xì)胞材料作為神經(jīng)導(dǎo)管支架以及制造血管蒂的神經(jīng)支架，其中血管系統(tǒng)和細(xì)胞外基質(zhì)成分保存良好，與無(wú)血管系統(tǒng)的導(dǎo)管相比，該支架可促進(jìn)更大的神經(jīng)缺損重建。隨著生物打印技術(shù)的不斷發(fā)展，Zhu等[42]運(yùn)用生物3D打印制備了組織工程神經(jīng)引導(dǎo)導(dǎo)管，通過(guò)動(dòng)物模型證實(shí)其能有效修復(fù)周圍神經(jīng)損傷。

3.4材料誘導(dǎo)原位再生 由于干細(xì)胞移植存在細(xì)胞存活率低、治療效果差、細(xì)胞來(lái)源不足等問(wèn)題，可利用體內(nèi)存在的宿主細(xì)胞進(jìn)行修復(fù)再生。組織原位再生的理念是在缺損組織原位植入生物材料，不僅可招募干細(xì)胞，還可通過(guò)刺激局部組織促進(jìn)組織再生[43]。Schilling等[44]使用序列優(yōu)化肽納米纖維材料修復(fù)大鼠面神經(jīng)的研究顯示，該新型生物活性支架不僅可刺激細(xì)胞黏附和生長(zhǎng)，還支持神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的生長(zhǎng)，修復(fù)效果良好。Wang等[45]研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電石墨烯納米纖維支架能引導(dǎo)細(xì)胞遷移，從而促進(jìn)周圍神經(jīng)再生。

生物支架是組織工程的必需基礎(chǔ)，可優(yōu)化、強(qiáng)化種子細(xì)胞的功能表現(xiàn)。材料研究的新興發(fā)展與組織工程息息相關(guān)，由于神經(jīng)組織獨(dú)特的物理化學(xué)特性，面神經(jīng)組織工程中支架材料的研究種類較其他組織少。組織原位再生應(yīng)用中支架的作用從基礎(chǔ)作用變成主導(dǎo)作用，使整個(gè)組織工程的修復(fù)過(guò)程變得更簡(jiǎn)單、更快捷。

4 展 望

在多項(xiàng)面神經(jīng)損傷修復(fù)研究中，組織工程化神經(jīng)組織的運(yùn)用達(dá)到了自體神經(jīng)組織移植的效果，充分說(shuō)明組織工程神經(jīng)的有效性和實(shí)用性。但并非所有的面癱均由面神經(jīng)缺損導(dǎo)致，故組織工程修復(fù)在面癱修復(fù)重建中還存在一定的局限性。組織工程在面神經(jīng)缺損修復(fù)方面的應(yīng)用還需進(jìn)一步探索。各種來(lái)源干細(xì)胞替代施萬(wàn)細(xì)胞用于組織工程，隨著基因編輯技術(shù)的提高，可根據(jù)研究需要增加細(xì)胞某些生物活性因子的表達(dá)，或使其表現(xiàn)出某些生物特性，以提高面神經(jīng)修復(fù)效果。生物支架不僅可以通過(guò)物理刺激提高周圍神經(jīng)的修復(fù)效果[46]，還能結(jié)合生化物理刺激提高修復(fù)效果，未來(lái)生物材料的運(yùn)用范圍亦將日趨廣泛。