生物材料结合细胞移植治疗脊髓损伤的研究进展

田祎，姚东晓，雷德强

（华中科技大学同济医学院附属协和医院神经外科，湖北 武汉 430023）

脊髓损伤（spinal cord injury，SCI）作为一种神经系统创伤性疾病，其发病率呈逐年上升趋势［1］。研究表明，在中国，SCI 约占所有外伤的0.74%，主要来自于车祸伤及坠落伤，发病年龄集中在30～50 岁，以男性居多［2-3］。SCI 可导致严重的感觉、运动或自主神经功能障碍，这大大降低了患者的生活质量，给家庭和社会造成沉重的经济负担［4］。与手术等传统的SCI 治疗方法相比［5］，通过组织工程技术结合细胞移植治疗SCI已引起越来越多的关注。细胞移植可以促进组织再生，为SCI康复奠定基础。而组织工程中的生物材料又在一定程度上提高了移植细胞的定植率，为SCI后细胞轴突的再生提供了良好的微环境，从而在SCI 治疗中表现出良好的效果和重要作用。因此，本文从生物材料结合细胞移植促进SCI修复的研究进展进行了综述。

SCI 病理过程复杂，按时间顺序可分为3 个阶段，包括急性期、亚急性期以及慢性期。在急性期，SCI主要表现为出血、缺血及损伤后引起的细胞死亡；
在亚急性期及慢性期，缺氧、兴奋性细胞毒性因子以及自由基的生成、血-脊髓屏障的破坏、蛋白酶的释放等都对神经元造成进一步损伤。更糟糕的是，被激活的小胶质细胞、星形胶质细胞和浸润在损伤周围的白细胞共同作用，释放细胞因子和化学因子，形成炎性微环境，阻碍神经修复和再生［6-7］。若不及时治疗SCI，可能进一步引发二次损伤，将增加严重神经功能障碍和永久性残疾的风险［8］。

目前，药物治疗、手术减压和康复治疗被用于处理SCI［9］。然而，SCI 治疗效果仍然不能令人满意。显然，目前需要探索更合适的治疗方法来改善SCI患者的功能。

随着细胞工程、移植手段等的发展，细胞移植被广泛应用于各个系统疾病的治疗［10］，同时，也成为SCI 治疗的热点。SCI 的修复是一个重大的临床挑战，尤其是神经网络的重建。细胞具有增殖和分化的能力，可替代受损的脊髓组织，因此在治疗SCI 方面显示出潜力［11］。常见的用于治疗SCI 细胞有神经干细胞、骨髓间充质干细胞（BMSCs）、胚胎干细胞、雪旺细胞、嗅鞘等。然而，由于脑脊液的流动及受损伤部位微环境的影响，移植的细胞不能有效地定植在损伤部位且细胞成活率偏低、分化方向不定。为了更好地解决上述问题，研究者通常采用生物材料与细胞移植相结合治疗SCI，这已经被证实具有很好的疗效［12-14］。总的来说，其优势是生物材料作为细胞移植的支架，可以改善或取代损伤后的机体环境，并提供神经修复所需的物理基质和营养。

理想的生物材料应具有以下特点［15］：（1）可注射性、剪切稀化和触变性；
（2）生物相容性低、细胞毒性低、免疫原性差、缺乏致突变性；
（3）生物降解性；
（4）多孔性；
（5）无肿胀。

用于细胞移植治疗SCI 的生物材料种类繁多，主要有天然材料与人工合成材料［16］。根据其功能和应用，可分为三大类：（1）既可作为递送载体又可构建生物支架的水凝胶；
（2）主要作为递送载体的微泡；
（3）用于构建生物支架的多种生物材料，包括胶原、海藻酸盐、透明质酸和纳米超分子材料等。下面对各类生物材料结合细胞移植在SCI的治疗中的应用进行阐述。

2.1 水凝胶 水凝胶材料的特点是含水量高，力学性能与脊髓中的胶原蛋白相似，后者是人类的主要结构蛋白［17-19］。因此，水凝胶材料不仅可以作为细胞和药物的载体进行传递，而且还常作为细胞支架植入脊髓中。研究发现，选择水凝胶作为SCI治疗的生物材料，主要是因为水凝胶可为轴突和神经元再生提供结构支架，搭载细胞和活性因子，促进损伤修复，不仅能够更逼真地对机体环境、中枢神经系统进行模拟［20］，而且具备多项优异的性能，比如：（1）拥有良好生物相容性，避免发生免疫抑制反应；
（2）物理、化学稳定性能佳，有效提供细胞附着、增殖等再生条件［21］；
（3）孔隙度和渗透率与适当的离子，保障营养物质、废物的代谢；
（4）良好生物降解性。除此以外，水凝胶经注入局部损伤区域后，对组织缺损进行填补，促使组织修复，且并不会产生侵入性伤害，安全性高。Chen等［22］将碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）与水凝胶结合并植入SCI 部位，通过评价两者的协同效应，结果发现植入8 周后，该水凝胶复合物可为再生组织的生长提供支架，从而促进脊髓损伤后神经和功能的恢复。

2.2 微泡 近年来，关于微泡的研究主要集中于将其作为药物载体进行靶向递送，以实现诊疗一体化。微泡在超声的作用下能够在细胞膜上形成空隙，促使目的药物更好地进入细胞，发挥靶向治疗的效果。陈宇等［23］构建了SD 大鼠SCI 模型，并对其给予超声微泡联合BMSCs 移植治疗。结果发现，超声微泡联合BMSCs 移植疗法能够对SCI发挥神经保护的作用。蒋婉婷等［24］通过超声微泡靶向介导NT-3 治疗SCI，获得了积极的治疗效果：增加残存的神经元，降低炎症介质表达以及减少细胞凋亡。

2.3 生物支架 在SCI 早期应用生物支架开展治疗，能够纠正脊髓病理生理状态，减轻继发损伤程度。在稳定期应用生物支架结合干细胞移植、细胞因子诱导等治疗，有助于促进脊髓功能的恢复。因此，生物支架成为细胞移植治疗SCI 的关键。这里主要介绍5 种用于构建生物支架的生物材料。

2.3.1 胶原 脊髓胶原是细胞外基质的重要组成部分，具有细胞黏附作用，故被广泛用作支架，促进干细胞黏附在支架上从而有利于干细胞分化和迁移［25］。胶原支架因其优异的生物相容性、可接受的生物降解性和低抗原性，成为SCI修复的独特生物材料。此外，在SCI部位，胶原还可以携带生长因子，调节局部微环境，减少瘢痕形成，有利于损伤的恢复［26］。Cholas等［27］研究表明，在大鼠SCI 处单独植入Ⅰ型胶原蛋白支架，4 周后观察发现，支架上的巨噬细胞和血管生成的数量减少，这为加强SCI的再生反应奠定了基础。Ma等［28］报道了一种天然生物神经支架，该支架由胶原海绵、bFGF 和神经干/祖细胞（NS/PCs）组成，可使修复组织与脊髓纵向对齐，减少充满液体的囊肿，阻止肌肉组织和结缔组织分解到受损区域，并输送神经干细胞和基因，从而加速再生速度并提供足够的功能恢复。中国科学院遗传与发育生物学研究所［29］于2015年1月17日宣布，世界首例使用神经再生胶原支架结合BMSCs 治疗SCI 的临床研究取得成功，该支架可以减少损伤部位瘢痕的形成，引导神经生长。在长期观察试验中发现，该支架能够有效促进动物运动功能的恢复，包括站立及行走。

2.3.2 壳聚糖 壳聚糖是一种天然多糖，具有生物相容性、无毒、抗菌和可生物降解。它还具有促进细胞附着和生长的粘性，使其成为理想的支架材料［30］。然而，它有高膨胀和快速降解的缺点，所以当应用于SCI治疗时，它通常与其他材料结合使用。朱旭等［31］利用胶原蛋白和壳聚糖制备多孔可降解支架，用于治疗SD 大鼠的SCI，发现其可以填充脊髓腔，减少胶质瘢痕的形成，促进中枢神经再生，恢复后肢运动功能。陈星颖等［32］利用神经营养因子3（NT3）和壳聚糖合成了NT3-壳聚糖支架，该支架具有生物活性，植入后可为SCI修复提供良好的微环境，从而实现神经元新生及轴突再生。在此基础上，该团队将NT3-壳聚糖生物活性支架植入与康复训练联合使用，能有效防止后肢骨骼萎缩和功能退化的作用。

2.3.3 海藻酸盐 海藻酸盐是一种自然存在于海藻细胞壁中的亲水性线性多糖。由于海藻酸盐特殊的化学结构和特性，它通常被用作治疗SCI的黏合剂或稳定剂［33］。此外，海藻酸盐支架还被用作BMSCs 的合适储存库。研究表明，植入2 mm 长的毛细血管水凝胶的海藻酸盐能够融入损伤部位而不产生毒性，促进轴突再生，并观察到BMSCs的存活以及雪旺细胞和血管的增生［34］。Wen 等［35］用整合素配体（α3β1）修饰海藻酸盐水凝胶，并在体外培养3个月，这种三维培养系统被证明有助于神经祖细胞的包封和分化。

2.3.4 透明质酸 透明质酸是一种天然聚合物，已被广泛研究用于支架生产。作为细胞外基质的一个组成部分，透明质酸具有生物相容性，通常与各种细胞受体相互作用，协调细胞的通信和行为。重要的是，透明质酸可以进行各种简单的化学修饰，允许聚合物链之间的交联和形成高度可调的支架。何志江等［36］将54只雌性SD 大鼠纳入研究，建立SCI模型，并在损伤区域注射入构建的透明质酸类生物材料。研究发现，透明质酸类生物材料在缓慢释放神经营养因子后，不仅具有封闭硬脊膜缺损的功效，而且可以减轻炎症反应，促进神经再生。除此之外，基于透明质酸的水凝胶还可以将治疗药物（例如干细胞、药物、生长因子）局部输送到中枢神经系统损伤或疾病区域，从而提高治疗效果［37］。对于干细胞输送应用，基于透明质酸的水凝胶具有可调性，允许设计、定制微环境，从而能够影响干细胞的命运，并为移植的细胞提供保护。小分子药物可以通过基于透明质酸的水凝胶直接传递，以引起所需的治疗反应。生物分子则可以被拴在透明质酸聚合物链上或嵌入水凝胶中进行局部传递。Elliot Donaghue等［38］通过实验表明，基于透明质酸的水凝胶输送NT-3 可促进SCI 后的轴突再生，改善了大鼠的运动功能恢复。

2.3.5 纳米超分子材料 精细结构的纳米超分子材料有利于与细胞表面受体和细胞成分相互作用，也可为重塑细胞微环境提供有力条件［39］。随着组织功能技术和基因工程的发展，医用纳米超分子作为脊髓组织工程支架材料，不仅能够提高细胞与材料的黏附性、生物相容性和生物降解性，而且更有利于细胞分化与增殖。如果将基因工程与纳米生物材料的优势联合起来，可以为SCI的临床治疗提供一条新途径［39］。Sun 等［40］制备了梯形神经导管（LNCs）和纳米纤维神经导管（NNCs），并将其分别植入完全脊髓横断的大鼠体内。实验表明，这2 种植入物都能有效缓解疤痕形成和炎症，恢复神经干细胞，并通过抑制细胞在支架中的浸润和积累增加神经纤维的生长。特别是，NNCs 进一步促进了引导轴突的延伸，为SCI 后的神经再生提供了一个良好的微环境。此外，Sun等［41］还通过明胶修饰多通道纳米纤维支架并结合NT-3 获得高比表面积的纳米纤维支架，将其植入大鼠完整的横断脊髓中，可限制胶原蛋白/星形胶质细胞瘢痕的形成，促进横断SCI 后的神经再生。Li等［42］报道了将纳米水凝胶与人脂肪来源的干细胞结合调节炎症微环境，保护神经元和轴突，促进严重SCI大鼠运动功能恢复。

细胞移植对损伤部位的干细胞进行定向分化来实现神经修复的治疗手段越来越受到学者们的关注，而引入生物材料试图解决单纯细胞移植中可能出现的各种问题，无疑是当前和未来SCI治疗的研究趋势，这为SCI 的治疗增加了新的可能性。然而，生物材料与细胞移植相结合治疗SCI也存在很多问题需解决。众所周知，许多生物材料的应用还处于实验阶段，实验动物与人类机体的差异使得一些材料的有效性和安全性有待研究。同时，如何提高细胞的存活率，如何使其分化为有利于神经修复的神经元和少突胶质细胞，并保证其不会过度增殖或异常分化，对机体造成不可预知的损伤，也需要进一步实验。最后，如何将新的治疗方法应用于临床实践，如何获得患者的信任，以及新的治疗方法的成本等问题仍有争议。虽然生物材料和细胞移植的结合为治疗SCI带来了新的希望，但仍存在很多问题，但相信随着研究的深入，这些问题最终会得到解决，SCI的治疗也会迎来新的突破。

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