应用生物材料促进脊髓损伤修复的研究进展

张峻 季欣然 唐佩福

应用生物材料促进脊髓损伤修复的研究进展

张峻 季欣然 唐佩福

脊髓损伤；组织工程；神经再生；综述

脊髓损伤复杂的自然病理过程表明损伤多个方面需要得到最大限度的修复[1]。受损病灶产生的细胞应答反应构成的微环境不利于修复进行。星形胶质细胞聚集导致胶质细胞增生性瘢痕的形成，瘢痕里有大量抑制轴突再生的硫酸软骨素蛋白聚糖。因此，独立的神经元再生轴突与周围神经元重新建立联系不易成功[2]。脊髓损伤治疗策略的一个主要限制是药物运输的问题，包括多种治疗方案：不同途径的药物注射，置入药物泵或鞘内导管，使用病毒载体，置入纤维母细胞或者其它基因工程细胞。这些药物运输方法侵袭性较大，可能会进一步激发炎症反应和瘢痕形成，有潜在增加神经损伤风险的可能。而且，病毒载体的使用和植入能够运输神经生长因子和硫酸软骨素酶 ABC ( chondroitinase ABC，cABC ) 基因工程细胞是不受控制的药物治疗方法，同时具有潜在的致肿瘤风险[3-5]。使用微型泵和鞘内注射是一种非特异性治疗方法，缺点是容易堵塞或者感染。所以，使用生物材料能够协助药物的运输和释放，在脊髓损伤治疗方面具有广阔的前景。

目前，用于脊髓损伤修复材料的最佳特性还没有达成一致意见[6-8]。临床上许多高分子材料已经用于治疗脊髓损伤，但是在这些生物材料工程学开发阶段还有许多待解决的关键问题不能忽视[9]。首先，材料生物相容性的问题。成熟的材料不会诱发免疫反应或者长期对细胞产生毒性作用。如果材料是可降解的，降解产物同样不可以对周围组织产生毒性作用[10]。其次，任何生物材料设备可以容易地置入脊髓并且不会产生进一步的损伤。第三，材料装置长期保持固定位置以便提供神经生长的条件。这点对于用于药物运输的纳米颗粒特别的重要。最重要的一点是，生物材料结合促神经生长分子或细胞的能力，并将其以生物活性的形式运输到损伤部位促进组织修复。单独使用支架能不充分使受损病灶得到最大修复。现笔者对脊髓损伤治疗有开发应用前景的生物材料进行综述。

一、生长导管和支架

生长导管是一个用来封闭的神经两断端的空心管，目的是直接引导新的轴索向远端神经残端再生[11]。神经导管已经成功修复了周围神经损伤，尤其在较大的神经，可以相对容易地将两神经断端分开。但是，当生长导管用于脊髓损伤时，它的适应证更多的是横断伤而不是挫伤。不幸的是，大部分脊髓损伤是不完全挫伤[12]，神经残端没有完全离散不能得到有效的密封。而且，挫伤病灶形状一般不规则，最终会形成囊样结构。因此，需要凭借促生长基质来填充或连接不规则缺损进行修复。同样，能够置入受损病灶的支架也常常用于修复脊髓挫伤病灶。

在周围神经损伤中，有一些神经导管用来修复直径＜30 nm 的缺损[13-14]。这些导管几乎全部由可降解材料构成，材料包含聚乙醇酸 ( poly glycolic acid，PGA ) 和聚乳酸己内酯 P ( LLA-CL ) 等和人工合成聚合物，胶原蛋白 I。各种各样的支架用于临床脊髓损伤后出现的空洞，除了起着桥接神经的作用外，主要是提供了一个促轴突生长的环境。和导管相似的是，支架可以由天然材料构成，比如胶原蛋白 I，琼脂糖或纤黏连蛋白；也可以是人工合成分子，比如聚乳酸 ( polylacticacid，PLA )，PGA，聚甲基丙烯酸羟乙酯树脂 ( poly 2-hydroxyethylmethacrylate，pHEMA )。这些支架的结构差异较大，可以是圆柱形，矩形，或者像一个多通道导管，或是海绵状，有无数的分散孔[15]。

支架和导管可以通过把促生长分子和多种细胞结合或许可以加速轴突的生长。生长因子能够整合或者贴附到支架中[4]。更多情况下，支架可设计为基质填充满各种能够产生神经生长因子的细胞，比如施旺细胞，转基因成纤维细胞，神经干细胞[16-17]。所有支架设计的多孔结构为移植细胞长期存活的提供了最佳微环境，并且能够灌注营养物质，氧气，同时为新血管的形成提供生物环境。

将不利于轴突再生的病灶区桥接起来是支架的一个优势。大量的研究证明支架可以促进轴突生长，甚至促进运动功能的恢复[18]。静电纺丝纤维和自组装肽 ( selfassembly peptides，SAPs ) 是制造生物型多功能支架的新方法，其涉及分子合成，材料科学，细胞生物学和临床应用研究多个方面[19]。已经有大量研究致力于通过提高全部材料属性或者添加促进神经再生的其它成分来制造一种改良的静电纺丝合成物。Downing 等[20]用载有不同剂量的哈利普兰治疗无胸腺的鼠脊髓损伤模型，结果发现低剂量处理的鼠有更好的结构和功能恢复。Xia 等[21]描述了聚 ( 碳酸丙烯酯 ) 静电纺丝 ( poly propylene carbonate，PPC ) 纤维作为一种工具，局部缓释双丁酰环磷酸腺苷促进恢复脊髓损伤后的运动功能恢复的体内研究。已采用同轴共纺静电纺丝封装生物成分 ( 如生物制剂、药物或分子 )，以其为芯材的纤维矩阵制造出了量身定制的核壳结构。这种设计不仅提供了理想的纤维网络结构，也可以释放必要的生物成分提高神经再生率。建立 3D 纤维导管作为细胞黏附的神经导管和为轴突再生并与靶向目标建立适当连接提供管道。例如，多个并行通道用来增加表面积和增加引导神经和施旺细胞生长的路径数量。黏附在纳米多孔纤维外层的神经细胞可以渗透到支架内部，生长方向与纤维排列方向一致[22]。这些静电纺丝内置物已经被用于中枢神经系统再生的较为有潜力的支架。

由于 SAPs 作为治疗脊髓损伤有前景的生物材料早在20 世纪已经被广泛地被研究，例如它可以较容易的注射到脊髓病灶并且能为再生神经组织提供物理支撑。Gelain的研究小组[23]在鼠的脊髓挫伤模型中评估两种不同黏弹性属性自主装多肽的治疗效果，在脊髓损伤早期两组材料都表现出较好地止血效果，还可以增加轴突再生，为宿主细胞提供物理支撑。实验还表明在脊髓损伤后，两种自组装多肽都可以较容易地注入脊髓形成支架[24]。

二、水凝胶

水凝胶是能够被用于模仿宿主环境的三维物理属性的水饱和的聚合物。这种聚合物可以直接注射到脊髓病灶随后在体内聚合，从而起到内置支架的作用[25-26]。这种支架可塑性大，通过吸收水分，扩张，形成一个可塑的类似于细胞外基质的三维结构，从而填充不规则的空腔病灶。在特定的生理学环境中，肽链可以发生自组装从而形成水凝胶支架。该水凝胶也可以装载促轴突生长分子来刺激轴突生长和组织修复，甚至与支架一起使用最大限度地刺激轴突生长的潜能[26]。

水凝胶分为天然和合成两大类。因其生物相容性并且是自然形成的细胞外基质的一部分，哺乳动物细胞外基质的天然聚合物如胶原蛋白、纤连蛋白，透明质酸，或组合常常用于水凝胶的制作。它可以用作促进轴突生长的细胞传递的工具和为组织再生提供结构性支撑[5,27]。壳聚糖、海藻酸钠、琼脂、甲基纤维素等其它自然产生的多糖在治疗脊髓损伤方面也表现出了较好前景。合成水凝胶在蛋白形状，细胞结合，降解速度方面得到了优化。pHEMA 和其派生物，聚乙二醇 ( poly-ethyleneglycol，PEG ) / 聚氧化乙烯 ( poly-ethylene oxide，PEO )，聚 α-羟基酸等制成的水凝胶已经用来修复中枢神经系统。合成的水凝胶比天然分子具有内在的优点。它制造方便，按照预期功能个性化定制聚合物的性能。合成凝胶表面的优化可以使细胞贴服充分。降解速度的控制能够保护或释放植入水凝胶的细胞，这一过程取决于修复过程中这些细胞的角色需要。因为合成水凝胶不是来源于动物，所以人体对它的免疫排斥反应是很微弱的[25]。像支架一样，天然和合成水凝胶通过改变结构能够运输一系列分子，如神经营养因子，轴突生长抑制因子拮抗剂[28]。

虽然水凝胶作为一种促进脊髓损伤修复的潜在方法具有明显前景，但是还没有一种明显的适合应用的聚合物或聚合物组合材料。水凝胶的机械强度不足以支撑病灶，以及因为它们迅速降解，水凝胶具有比组合支架较差的耐久性。更重要的是，体内聚合作用后形成的微通道没有方向性。如果水凝胶含有丰富的促生长分子，轴突再生过程可以延伸到水凝胶。

三、纳米微粒

纳米微粒是治疗脊髓损伤的新途径，能够管控病灶中的生长因子，神经营养因子，神经抑制因子拮抗剂。纳米微粒和微球是最终会降解释放包裹的内容物的聚合物衍生颗粒。大量的药物运输测试应用在多种组织疾病的治疗，比如减轻器官移植后组织排斥反应，靶向作用癌细胞[29-31]。并且通过改变细胞表面属性达到靶向作用特定组织的目的，体内注射药物后对靶向组织产生特定的局限效应。注射的计量可以个性化计算给药。基于以上的优点，纳米微粒成为药物运输领域的热点。

通过纳米微球运输生长因子和其它药物成功地治疗脊髓病灶。但是由于丧失了血管化和治疗药物的不稳定性，所以增加了脊髓损伤后药物运输的困难。cABC 可以降解抑制轴突生长的附硫酸软骨素蛋白多糖残基，中和抑制效应。然而，cABC 在溶液中极度不稳定，随着时间活性会丢失。在治疗脊髓损伤的动物模型中，它可以有效促进轴突生长并提高功能恢复，表现出良好的治疗前景[31-32]。但是转化到临床中还需要研发出新的药物运输方法。包含cABC 的纳米微球已经运用到鼠脊髓挫伤的模型中。纳米微球能够持续释放供应提供活性酶，并刺激大量轴突生长穿过病灶。它对人体没有毒性并且不会诱发脊髓内炎症反应。通过微球表面结构的调制可以确保它在损伤部位的固定位置。

纳米微粒和微球能够运输神经胶质细胞源性营养因子，脑源性营养因子用于治疗中枢神经系统损伤和脊髓损伤[33-34]。其它药物也可以通过微球运输到脊髓，包括甲泼尼龙和雌激素，可以降低全身副反应而起到局部抗炎作用[30,35]。许多纳米微粒由合成聚合物构成，比如聚乳酸－羟基乙酸共聚物 ( poly lactic-co-glycolic acid，PLGA )和 PGA，可以滴定调节释放动力学。然而，微球也可以用天然聚合物合成，如壳聚糖。目前，纳米颗粒必须直接注射到脊髓中起作用。但是，通过改变微粒表面结构允许其穿过血脑屏障进入脑组织和脊髓组织，实现这一过程不需要必须直接注射到脊髓组织。尽管如此，直接注射纳米微粒比将支架置入病灶的侵袭性要小。

纳米微粒运输治疗性药物分子治疗脊髓损伤的优势：侵袭性小，提供持续的局部药物释放，药物在局部浓度增高避免全身副作用。再者，多种因子的使用可通过注射含有生长因子，cABC 和神经生长抑制因子拮抗剂的纳米微球混合物来实现。然而，纳米颗粒药物释放的速度和浓度有待于解决。例如，需要多少药物剂量才能起到治疗的作用，药物释放到病灶需要多久。所以，药物微粒治疗脊髓损伤的最佳剂量和释放时间需要进一步优化。

四、展望

促进脊髓损伤患者功能恢复的干预措施有中和抑制性蛋白聚糖，保护神经元存活，刺激轴突再生和髓鞘再生。目前没有哪种单一的治疗方法可以有效解决这些问题，损伤后运动功能的最大恢复需要结合多种治疗措施。生物材料不仅用来运输药物，还为损伤组织提供物理支撑。此外，天然和合成的聚合物都可以为个性化释放动力学的药物提供不同的设计结构。目前没有文献可以得出一致的结论证明哪种材料是修复脊髓的最佳选择。各种治疗措施需要持续多久，在体内的半衰期和生物活性如何，材料何时置入损伤的脊髓才能获得最佳治疗效果等等一系列问题还有待于解决。最终，脊髓损伤修复的生物学需求被明确时，专门治疗脊髓损伤的材料研究，需要考虑到每一个需求在自然损伤反应过程中的作用和在功能恢复中的潜能。

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( 本文编辑：裴艳宏 )

Advances in the application of biomaterials in the repair of spinal cord injury

ZHANG Jun, JI Xin-ran, TANG Pei-fu.
Department of Orthopaedics, Chinese People’s Liberation Army ( PLA ) General Hospital, Beijing, 100853, China

TANG Pei-fu, Email: pftang301@163.com

Currently, there are 3 kinds of biomaterials used for treatment of spinal cord injury: Guidance Channels and Scafolds, Hydrogels, Nanoparticles. Each material is made of different chemical materials and has different uses and biocompatibility. Biomaterials are used not only to assist in the transportation and regulation of drug release, but also to provide physical support for the regeneration of injured tissues. Although biological materials have broad prospects in the treatment of spinal cord injury, there is no consistent conclusion to prove which material is the best choice for the repair of spinal cord injury. A series of problems need to be further studied, which include how long treatment measures should persist based on different materials, how long the in vivo half-life is and how is the biological activity of materials when placed in injury of spinal cord in order to obtain the best therapeutic effects and so on.

Spinal cord injury; Tissue engineering; Nerve regeneration; Review

10.3969/j.issn.2095-252X.2017.04.017

R683.2

北京市科委重大项目 ( 课题编号：D161100002816005 )

100853 北京，解放军总医院骨科 ( 张峻、季欣然、唐佩福 )；010010 内蒙古医科大学附属医院骨科 ( 张峻 )

唐佩福，Email: pftang301@163.com

2016-05-19 )