组织工程移植物对周围神经修复再生的研究进展

黄天宇综述，邹永根审校

（西南医科大学附属中医医院：骨伤（矫形、儿骨、手外）科，四川泸州646400）

组织工程移植物对周围神经修复再生的研究进展

黄天宇综述，邹永根审校

（西南医科大学附属中医医院：骨伤（矫形、儿骨、手外）科，四川泸州646400）

神经支架；种子细胞；生长因子；组织工程；周围神经修复

周围神经损伤是创伤骨科中常见的多发病之一，多见于四肢部位，主要由于周围神经受到牵拉、挤压、锐器切割及物理化学反应，致使神经结构或功能受损，从而导致患肢感觉及运动功能障碍及缺失[1]。目前，自体神经移植被认为是治疗外周神经损伤的金标准。但是长节段（＞30mm）神经缺损，一直是医学界亟待解决的难题之一。研究表明[2]，虽然周围神经具有一定的再生的能力，但由于这种再生能力的效能较低，容易被周围的疤痕阻挡，使再生轴突分散而形成神经瘤，阻止神经修复。近年来组织工程的发展，目前神经支架、种子细胞以及生长因子在周围神经损伤修复治疗中起着巨大作用。组织工程移植物一般由三部分构成：神经支架、种子细胞和生长因子，其中神经支架作为种子细胞和生长因子的载体，是组成神经损伤修复微环境的主要结构。与其他的组织工程材料一样，组织工程神经移植物将神经支架、种子细胞、神经生长因子结合起来，作为构成神经再生微环境的重要成分，将功能性种子细胞植入神经支架中修复神经缺损往往能达到类似于自体神经移植的良好修复效果。

1 神经支架

理想的神经支架，应具备适宜的生物及理化性质，包括生物相容性、生物降解力、渗透率以及生物力学特性，其结构构建和性能改进是制约周围神经缺损修复的关键问题，其组成结合及内部微结构是影响组织工程移植物修复长节段神经损伤的关键因素。

1.1 自体非神经材料

目前临床上主要采用的是自体移植，主要应用的材料为血管或肌肉，以血管材料为主。血管组织，由于其自身的管状结构，拥有良好的通透性和组织相容性，对于修复短神经缺损方面有着不错疗效[3]，但由于其生物力学性质尤其是抗压性质较弱，在长节段缺损的修复当中会出现塌陷的现象，从而导致再生神经无法穿越缺损长向远端。研究显示[4]，将事先剪碎的神经组织碎片填入静脉血管组织当中，不仅对支架起到了支撑作用，且其本身就对神经组织，对轴突的再生也起到了促进的作用，从而获得了不错的疗效。此外，利用肌肉组织作为神经支架修复神经缺损也获得了不错的效果，但与其他材料相比，并无明显的优势。

1.2 可降解天然大分子材料

天然可降解的大分子材料主要是指―来源于生物或自然界，经过人工提纯或处理的一类大分子材料，主要包括胶原，壳聚糖，玻璃质酸等。迄今为止，已有多种胶原为主制备的神经支架产品面世，如NeuroMatrix、Neuroflex、NeuraGen，均通过美国FDA认证，并已投入临床中使用[5]。近年来，有研究显示胶原神经导管的修复较粗的神经损伤效果仍不甚理想，并且单纯由胶原组成的神经导管其降解率较高，导致对神经再生不能完整的支持。因此，胶原神经导管对于大规模的临床应用仍不现实。与粘多糖有着相似的分子结构的壳聚糖，有研究显示各种新型配方及工艺的壳聚糖神经导管在外周神经系统和中枢神经系统损伤中使用，并有着不错的效果。而丝心蛋白，由于其免疫原性低，且有不错的神经组织生物相容性以及降解率，近年来在生物医学领域的应用越来越广泛。研究显示[6-7]，丝心蛋白制备的神经移植物在大鼠的坐骨神经缺损的治疗当中可以有效促进神经的再生。此外，海藻酸盐，玻璃质酸，角蛋白等材料同样具备良好的生物相容性，无毒性及降解率，以其为基础制备的神经导管已报道在神经再生中起到不错的效果。在神经导管的制备中，通常利用交联的方法来提高其物理和生物性质，已有报道不同成分联合应用制备的导管，如胶原-壳聚糖，壳聚糖-海藻酸盐，壳聚糖-丝心蛋白神经导管已广泛使用于外周神经损伤后的神经再生当中。

1.3 人工合成材料

由于人工材料其可调控的理化性质，近年来已成为一个新兴的材料用于神经导管的制备。为了克服不可降解人工合成材料的各种缺点，越来越多研究者开始对可降解人工合成材料进行研究。此类材料主要包括聚乳酸-聚乙醇酸共聚物（PLGA）、聚乙酸内酯（PCL）、聚乙醇酸（PGA）等。以此类材料制备的神经导管已经获得了美国FDA组织的认证，并应用于临床当中[8]。一个理想的神经导管还需要有良好的导电性，以使突触部位产生的电信号得以传导，促进神经再生，因此聚吡咯、聚丙胺及聚噻吩等材料也用于制作神经导管[9-10]。随着研究的深入，越来越多的物质被作为神经支架的制备材料，将这些材料联合应用制备的神经导管兼备多种材料的有点，可进一步提高其促进神经的再生的功效，应用前景广阔。

2 种子细胞

对于缺损长度＜30 mm，神经支架的使用在不同程度取得了一定的成功。但当神经损伤长度超过了一定范围，单独使用神经支架，由于支架内缺乏功能细胞的支持，导致神经再生受到了阻碍[11]。植入神经支架中的功能性种子细胞可以分泌生长因子、细胞外基质分子，为神经的再生上提供了有利的微环境，进一步加速了神经的再生。

2.1 嗅鞘细胞

嗅鞘细胞（OECs）是一种特殊的胶质细胞，具有神经营养、抑制胶质增生、瘢痕形成、成髓鞘等作用。它的特点在于，不仅在成熟期仍具有神经再生能力，同时还能释放多种神经生长因子，被认为是髓鞘化能力最强的胶质细胞。由于嗅鞘细胞是目前所发现的为数不多可使中枢神经系统再生的细胞，且是目前唯一具备终生神经再生能力的细胞[12]，其在中枢神经损伤的修复当中有着非常广泛的应用。由于其能使轴突具迁徙性，因此将嗅鞘细胞植入神经支架内修复长节段缺损取得了不错的疗效[13]。尽管中枢神经损伤后植入嗅鞘细胞以促进神经再生已在临床中广泛使用，并有着不错的效果，但其在周围神经的使用仍处于试验阶段，并没有投入临床的使用。尽管目前嗅鞘细胞修复外周神经损伤的作用机制仍不甚明了，但越来越多的研究已将关注点放于此，在未来使其发挥其最大的效能。

2.2 雪旺细胞

雪旺细胞（SCs），在维持神经元的存活与功能上起到重要的作用。在神经损伤后，SCs直接参与形成有髓神经纤维的髓鞘，同时还参与无髓神经纤维束膜结构的形成。它还分泌各种生长因子，如神经生长因子（NGF）、神经胶质细胞源性神经营养因子（GDNF）、脑源性神经营养因子（BDNF）等。因此，雪旺细胞成为了外周神经再生中首选且应用最广泛的种子细胞[14]。尽管雪旺细胞目前被看作是周围神经损伤中最好的功能性种子细胞，也有学者[15]表明，雪旺细胞并没有在修复长节段缺损时并没有表现出明显的优势。在周围神经损伤的修复中，它与嗅鞘细胞一样可以促进轴突的再生，但在修复长节段的缺损时不具有嗅鞘细胞的能力。另外，许多神经支架的材料对雪旺细胞的相容性并没有那么完美[16]。因此在某种程度上限制了其在神经再生中的应用，因此目前最大的问题仍是如何最大限度的发挥雪旺细胞在神经组织工程学中的效用。

2.3 神经干细胞

神经干细胞（NSCs）主要来源于神经系统，是一个具有多向分化性的多能细胞。其主要具备分化以下三种细胞的能力：神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞，在细胞损伤时，它可无限增殖，有利于神经的再生。除了其多方向分化能力外，它还具备较高可塑性、高迁移性、低免疫原性以及易于在体外分离培养等优点，使神经干细胞成为组织工程神经移植物中一个很好的种子细胞[17]。有研究将神经干细胞植入壳聚糖神经支架中修复家兔面神经10 mm缺损时，获得了与自体神经移植类似的疗效。另有学者[18]发现，将神经干细胞植入神经支架修复神经损伤后，部分神经干细胞分化成类似于雪旺细胞的细胞，在周围神经再生中发挥了类似雪旺细胞促进神经再生的作用。但由于其在体内存活率低，难诱导等缺陷，同时制约了它在神经组织工程学中的应用。

2.4 胚胎干细胞

胚胎干细胞，具有无限性增殖，自我更新能力强，多向性分化等特点，可在生长因子的刺激下，激发其分化潜能。对胚胎干细胞的研究，主要致力于中枢神经损伤的修复中，其在周围神经损伤中的使用还有大片空白。有研究[19]表明，在周围神经损伤的病例中，将由胚胎干细胞分化而来的神经元细胞移植入去神经化的肌肉中可取代由于损伤而缺失的神经元，并可有效的防止由于失去神经支配而造成的肌肉萎缩。Cui等[20]发现，在利用胚胎干细胞修复10 mm大鼠坐骨神经缺损时，胚胎细胞分化成髓鞘细胞，并存活了三个月以上，使再生的神经干恢复成原来的直径。有报道，将胚胎干细胞源性的运动神经元移植入横断的胫神经内不仅促进了神经的再生，还衰减了去神经化导致的肌肉萎缩。将胚胎干细胞源性的神经元细胞植入神经支架为功能性种子细胞的选择带来了新的方案，促进了神经的再生。

3 生长因子

在神经损伤后，局部生长因子在调整各型细胞存活、增殖、迁移、分化方面起到了一个至关重要的作用[21]。各种研究证明，当周围神经受到损伤，远端神经细胞分泌的各类生长因子对轴突的再生起到支持的作用，但由于细胞所分泌的生长因子水平随时间推移而下降，因此这种支持作用并不能持续很久[22]。因此，如何让生长因子缓慢释放成为了现今研究的重点。

3.1 神经生长因子

在正常的周围神经里，神经生长因子（NGF）一直处于一个较低的水平，而在神经损伤后神经干远端其表达有所上调。近年来，经过多项研究证明神经生长因子因为其营养神经元、促进新生轴突成熟、促进神经再生的能力被广泛认知[23]。Cragg等[24]将神经生长因子填充入神经导管桥接大鼠坐骨神经缺损后发现，其增加了有髓轴突的数目，髓鞘的厚度，加速了新生神经的成长，从而促进了损伤神经的再生，在后续研究中也取得了部分成果。然而，也有一些研究提出，当将神经生长因子填充神经支架后，它可能会从神经支架内渗出，亦或是神经生长因子的失活，从而无法达到预期的效果[25]。上述结果无论从正面或是侧面都应证了缓释神经生长因子对于外周神经再生是非常重要的。目前，NGF是神经再生领域应用最多的生长因子，许多学者都以体内神经生长因子的水平作为评定损伤后神经再生程度的指标之一。

3.2 神经营养素-3，神经营养素-4/5

神经营养素-3（NT-3）能支持神经元的存活，生长及分化，并促进神经突触的形成[26]。有研究[27]将NT-3搭载于纤连蛋白植入大鼠10 mm坐骨神经缺损中，明显的增加了有髓轴突的数目，促进了神经的再生。将NT-3植入PHEMAMMA制备的导管中，修复大鼠坐骨神经缺损，移植后8周组织形态学分析表明，植入NT-3组的修复效果明显优于对照组。尽管神经营养素-4/5（Neurotrophin-4/5,NT-4/5）相关的研究十分有限，但仍有研究表明其在坐骨神经损伤后的修复中起到了促进的作用。

3.3 胶质源性神经营养因子

胶质源性神经营养因子（GDNF）最初源于大鼠B49胶质瘤细胞系，具有促进中脑多巴胺能神经元等多种神经元集群的存活。有研究[28]将其与NGF搭载于神经支架中修复大鼠15 mm坐骨神经缺损时并与NGF作比较，发现其对运动和感觉神经元的再生起到了促进作用，且其作用甚至优于NGF。另有研究[29]将GDNF搭载于不同神经支架中，均得到了不错的效果。此外，Petel将GDNF-层粘连蛋白混合壳聚糖制备神经导管，发现其与天然生物材料之间有着很好的生物相容性，并在大鼠坐骨神经缺损模型中明显促进了外周神经的再生。

3.4 其他生长因子和活性物质

除了上述主要促进生长因子之外，脑源性神经营养因子（BDNF）、血管内皮生长因子（VEGF）、成纤维细胞生长因子（FGFs）等，都在不同研究中被证实具备促进神经再生，保护组织生长，对中枢及周围神经损伤的修复起到一定的作用。随着科技的进步，更多的生长因子会被发现，并发挥重要的作用。

4 总结与展望

随着研究的深入，单一要素的应用不足以使其促神经再生的效用最大化，从早期的人造管状神经支架，到现如今组织工程神经移植物，通过对神经支架成分的筛选，内部结构的优化；对新型功能性种子细胞的发现与评估；对生长因子的研究，以及上述要素的联合应用，人工神经移植物已广泛的应用于中枢及外周神经缺损的治疗当中，不仅有着不错的疗效，部分还已投入到临床使用当中。然而目前的人工神经还存在着各种缺点，如其临床应用局限性较高，主要面临以下两个问题：①如何增加受损神经元的存活以及为神经突的增生建立良好的微环境；②如何帮助再生轴突提供有效的导向性，达到靶器官。组织工程学在再生医学领域还有很长的路要走，解决这些问题，有助于更好地将其利用到神经再生领域当中。

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（2016-03-23收稿）

R651.3

A

10.3969/j.issn.1000-2669.2016.06.027

黄天宇（1990-），男，硕士生。E-mail：554294060@qq.com