水凝胶在脊髓损伤修复中的应用

马伟康，陶树清

(哈尔滨医科大学附属第二医院，黑龙江 哈尔滨　150086)

水凝胶在脊髓损伤修复中的应用

马伟康，陶树清

(哈尔滨医科大学附属第二医院，黑龙江 哈尔滨150086)

[摘要]脊髓损伤是一种严重的外伤性疾病，可以导致永久性的运动和感觉功能丧失。由于病变部位及周围不利于脊髓损伤修复的微环境，脊髓损伤的治疗没有有效的策略。此外，胶质瘢痕形成和炎症反应抑制轴突生长，形成抑制脊髓损伤修复的屏障。水凝胶目前是一种理想的运输工具，因为它可以模仿细胞外基质给细胞提供支持，促进其增殖、迁移、分化，引导植入的神经组织修复和替代受损组织。通过水凝胶将细胞和分子运输到损伤部位具有广阔的前景，并被应用于脊髓损伤修复。本文中作者将介绍水凝胶作为运载工具的特点和优势，及水凝胶在细胞及细胞分子植入脊髓损伤部位的应用。

[关键词]脊髓损伤； 水凝胶； 组织再生； 细胞； 分子; 综述

脊髓损伤(spinal cord injury)是一种极具挑战性的外伤性疾病，在临床上常常导致损伤部位以下永久性的运动和感觉功能障碍。临床尝试了许多方法，但是都收效甚微[1]。随着组织工程学的飞速发展，对脊髓损伤的有效治疗必须包括组织水平的重建，在诱导轴突生长的同时减少胶质瘢痕的形成[2]。以细胞及细胞分子为基础的治疗策略给我们未来治疗脊髓损伤带来希望。但传统的摄入方法如口服和静脉给药难以通过血脑屏障(blood- brain barrier)和血- 脑脊液屏障(blood cerebrospinal fluid barrier)，极低的渗透率使得传统方法无效[3- 4]。我们需要一个理想的输送系统，来实现细胞和分子局部持续的释放。近来水凝胶成为研究热点，因为他们可以模仿细胞外基质，为神经细胞黏附、增殖和分化提供支持。在本文中，作者将突出介绍以水凝胶为基础的细胞及分子治疗在脊髓损伤修复中的特点。

1理想的运输系统

由于传统方法的局限性，我们需要设计出一个理想的输送系统实现局部持续的释放。理想的运输系统应有的特点：(1) 材料的生物相容性。不会引起免疫反应，降低宿主组织和移植组织之间可能出现的排斥反应[2,5]。移植后，移植的细胞和分子仍然有自己的生物活性。(2) 材料的稳定性。运输工具足够稳定以避免不利的环境因素如温度、pH值等，为组织再生提供长期的支持。(3) 材料的可降解性。植入材料必须是可降解的，残留的材料可能导致免疫反应、炎症反应和病变部位体积增大导致脊髓压缩。同时对降解速率也有要求，材料降解的速率应足够慢，使神经元有足够的时间生长、分化或产生有利的细胞分子。材料的降解速率应实现控制和可调[6]。(4) 无毒性。用于移植到脊髓损伤部位的材料应该具有安全性，对注射部位和宿主的组织或其他器官不产生伤害。这些材料应满足安全要求，并在移植前进行测试。(5) 效率。材料的设计应实现低投入、高产出。由于生物材料的高浓度注射可能导致局部体积过大，在有限容量内脊髓受压，并增加了副作用的风险。(6) 生物活性。材料的生物活性是由包括孔隙大小长度等不同的因素决定的，生物材料的纳米孔大小对细胞生长、迁移和生物活性分子的扩散极为重要。三维(3D)的孔隙结构可以模仿天然的细胞外基质和提供细胞间连接，决定细胞的生存和生长。材料的机械性能应类似于宿主组织，使生物材料结构可以承受周围组织产生的力，据报道生物材料刚度对细胞也有影响[6]。

2水凝胶的特点

水凝胶是含水量高和体表面积大的天然或合成的聚合物网络状物质，当植入到脊髓组织中可以为细胞和轴突提供力学支持,通过修饰可以具有生物降解性，并实现可控释放细胞分子[7- 8]。此外，水凝胶可以模仿天然的细胞外基质的结构和功能[6,9]。水凝胶的结构和特性可以促进细胞生长、迁移，介导组织修复和再生[9- 10]。未来水凝胶的应用要求具有合成容易、稳定性、安全性和疗效性等特点。水凝胶可以进行物理、化学性交联，每类交联的水凝胶有自己的优点和缺点。化学交联的水凝胶具有较长存活期，但需要快速形成共价键，避免被消除。化学交联的水凝胶要求没有细胞毒性交联物，而物理交联水凝胶似乎对环境刺激更敏感(温度和pH)。共价键的缺乏使得水凝胶注射后容易被消除，因此高浓度的水凝胶注射是必需的，但可能导致脊髓受压。目前，结合物理交联和化学交联的复合交联具有很好的研究前景[11]。

3测量水凝胶特性的方法

水凝胶的不同性质需要不同的测量方法。机械性能需要在干湿条件下进行动态力学检测。孔隙率的测试需要采用微型计算机断层扫描电子显微镜测试。水凝胶的毒性是通过对神经元存活和水凝胶系统内神经元生长情况分析后测定的。行为功能的恢复测试通过Basso Beattie and Bresnahan试验和动态负重试验(dynamic weight bearing test)。组织学分析揭示了是否有新的神经元和血管的生成、胶质瘢痕形成、炎症反应和脱髓鞘化。水凝胶的降解性能通过质量损失测量[12]。

4以细胞治疗和分子为基础的治疗策略

水凝胶可以支持损伤的脊髓组织，防止瘢痕形成，促进组织再生。3D结构孔隙和通道的水凝胶结合具有治疗作用的细胞和分子，可以提供有利的生长环境促进组织长入。以水凝胶为基础的细胞和分子治疗为脊髓损伤修复的攻克带来希望。

4.1基于细胞的策略

在过去几十年中，将治疗性细胞传递到病变部位一直是最常用的治疗策略之一，这种方法不仅能刺激神经再生、修复丢失的细胞，而且还可以提供包括抗炎和生长因子等营养分子，这些细胞的活动可以调节和促进脊髓损伤后的组织再生。在这些以细胞为基础的治疗中，干细胞移植是促进组织再生的一种有前途的方法，结合神经干细胞和水凝胶的试验已经被研究。成人神经干/祖细胞(adult neural stem/progenitor cells)是一种很有前途的移植细胞，因为他们可以自我更新，分化为少突胶质细胞、星形胶质细胞和神经元。有研究人员将脑来源的干/祖细胞结合大鼠血小板衍生生长因子(rPDGF- A)修饰后的透明质酸和甲基纤维素(hyaluronan and methyl cellulose)注射到亚急性大鼠脊髓损伤模型中，这一试验证实空泡明显减少，移植的细胞生存率提高和行为功能改善，少突胶质细胞分化增加[13]。

诱导多功能干细胞来源的神经干细胞(induced pluripotent stem cell- derived neural stem cells)移植治疗脊髓损伤具有治疗潜力，通过分化为神经元和神经胶质细胞刺激新组织跨损伤部位。临床前实验证明，诱导多功能干细胞来源的神经干细胞移植具有良好的生长、分化情况和治疗效果。施旺细胞(schwann cells)移植也是一个有前途的脊髓损伤的治疗策略，它已被证明可以减少神经元的丢失、刺激神经元再生、促进髓鞘形成。结合水凝胶移植可以实现施旺细胞的长期生存，并促进血管形成和轴突长入。基质胶Matrigel 和 肽段水凝胶PuraMatrix已经应用于施旺细胞的运输，促进施旺细胞的生长及运动功能的恢复[14]。

4.2基于分子的策略

脊髓损伤是非常复杂的，细胞分子在组织再生中扮演重要角色，这些细胞分子具有促进血管生成、抑制瘢痕形成、减少炎症反应、增加神经干/祖细胞存活率等作用。通过水凝胶实现这些细胞分子的局部及持续的运输，具有广阔的前景。

硫酸软骨素酶ABC(chondroitinase ABC)可以通过降解硫酸软骨素蛋白多糖(chondroitin sulfate proteoglycans)降解胶质瘢痕，实现神经元再生和组织修复。硫酸软骨素蛋白多糖是一种轴突生长抑制因子，可促进胶质瘢痕的形成。硫酸软骨素酶ABC对热不稳定， 因此运输硫酸软骨素酶ABC到脊髓损伤部位具有挑战性。Magdalini等设计出一种以亲和力为基础修饰的甲基纤维素(MC)的水凝胶，实现具有生物活性的硫酸软骨素酶ABC持续释放。Src同源结构域3(Src homology domain 3，SH- 3)结合肽修饰的MC水凝胶，可以控制通过改变Sp- 蛋白及SH- 3- 多肽的结合力实现硫酸软骨素酶ABC以可控的速率释放[15]。

神经营养因子- 3(neurotrophin- 3，NT- 3)可以调节酪氨酸蛋白激酶C 阳性的神经元的存活和功能。有研究人员通过将NT- 3封装于聚乳酸- 乙醇酸共聚物中分散在一种可注射水凝胶的透明质酸和甲基纤维素，实现持续和局部的释放[16]。Piantino等设计出一种可注射可降解的水凝胶，实现NT- 3的长期释放超过2周。水凝胶/ NT- 3处理的动物表现出明显的轴突生长和功能的改善[5]。

血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor)治疗脊髓损伤是一种很有前途的治疗策略。血管内皮生长因子结合水凝胶已应用于脊髓再生的实验研究，可以增强病变部位及周围的神经生长。有研究显示，从可注射的藻酸盐纤维蛋白原水凝胶局部输送血管内皮生长因子可以促进血管和神经生长。虽然没有观察到功能的恢复，但纤维蛋白原水凝胶被脊髓组织良好地耐受[17]。

胶质细胞源性神经营养因子(glial cell- line- derived neurotrophic factor)是很有前途的细胞分子，因其可以促进多巴胺能的运动及外周感觉神经元的生长。这表明胶质细胞源性神经营养因子具有神经保护作用，促进组织和轴突再生。有研究人员设计一种输送系统，将胶质细胞源性神经营养因子封装于微球中从注射藻酸盐水凝胶中释放，这种输送系统可以支持脊髓可塑性和功能恢复[18]。Fon等研究表明装有胶质细胞源性神经营养因子的可注射明胶基水凝胶可以使神经干/祖细胞从脑室下区(subventricular zone，SVZ)迁移并支持神经干/祖细胞的存活，减少胶质细胞增生[19]。

轴索过度生长抑制因子A(Nogo- A)是髓鞘相关抑制剂，可以通过在病变部位形成不利的环境抑制再生轴突的生长。Nogo- A可以结合Nogo- 66受体(Nogo- 66 receptor，NgR)介导抑制轴突再生[20]。Wei等联合聚赖氨酸(poly- L- lysine，PLL)修饰的以透明质酸(hyaluronan，HA)为基础的水凝胶和Nogo- 66受体抗体(Nogo- 66 receptor antibody，anantiNgR)，然后将HA PLL/antiNgR移植到大鼠的脊髓半横断模型中,8周后表现出明显的血管生成和胶质瘢痕的减少[21]。抗Nogo- A(AntiNogo- A)有改善功能恢复的作用，它是一种抗体，不能跨越血脑屏障和血- 脑脊液屏障。Jason等设计出一种运输系统，由装有抗轴索过度生长抑制因子A (Anti- NogoA)的聚乳酸- 羟基乙酸共聚物纳米微粒分散于透明质酸水凝胶形成。联合碳酸镁和碳酸钙可以实现Anti- NogoA的长期释放，提高Anti- NogoA的生物活性[22]。有研究显示生长激素于脊髓损伤后的输送具有神经保护作用[23]。Sellers等探讨凝血酶的输送实现了神经祖细胞增殖[24]。

总之以水凝胶为基础的细胞分子输送系统取得了显著的进步，但这些分子通过传统的给药方式因为血脑屏障和血- 脑脊液屏障受到明显局限。基于局部释放的水凝胶可以绕过屏障，提高治疗的效率而不破坏这些分子的生物活性。

5结论

脊髓损伤是一个复杂的疾病，常导致神经功能障碍和残疾，给个人、家庭带来严重负担[25]。传统方法无法通过血脑屏障和血- 脑脊液屏障，水凝胶的应用不仅可以给移植细胞提供支持，也可以实现持续和局部细胞分子释放，调节细胞活动和炎症反应，促进血管生成，抑制胶质瘢痕形成,在组织工程和再生医学中已经取得了瞩目的成就。但仍有许多我们需要面对的挑战:试验表明，移植细胞的存活率需要改进。水凝胶需要进一步修饰，达到对移植细胞的长期支持[26]。有实验证明脑脊液的流量在分子运输中起着至关重要的作用，对水凝胶的位置有影响[27]。在未来，基于细胞和分子治疗策略需要提高脊髓损伤再生的治疗效果，更多的不同的水凝胶的修饰将需要根据不同的条件满足不同的输送需求。

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[收稿日期]2015- 10- 18[修回日期] 2016- 01- 30

[作者简介]马伟康(1991-)，男，山西洪洞人，在读硕士研究生。E- mail:4919384897@qq.com

[通信作者]陶树清E- mail:taoshuqing@aliyun.com

[中图分类号]R683.2； R681.54

[文献标识码]A

[文章编号]1671- 6264(2016)03- 0460- 04

doi:10.3969/j.issn.1671- 6264.2016.03.038

[引文格式] 马伟康,陶树清.水凝胶在脊髓损伤修复中的应用[J].东南大学学报:医学版,2016,35(3):460- 463.

·综述·