进一步重视脊髓损伤的基础与临床研究

李忠海 吕德成

全球每年因外伤性脊髓损伤 ( spinal cord injury，SCI ) 而丧失肢体感觉、运动功能的病例数高达 60 多万，已呈现高发生率、高致残率、高耗费和低龄化的“三高一低”的局面，SCI 后的神经修复已成为医学界迫切需要解决的重大挑战和临床难题。我国现有创伤性 SCI 患者超过 200 万，并且每年新增 10～14 万人，给家庭和社会带来了巨大的负担。近年来，挽救受损神经元，促进受损神经元轴突的再生，再生轴突与靶组织形成正确的突触联系，以及脊髓神经功能的恢复等研究领域已经取得了重要的进展，这方面的基础研究令人鼓舞，我国在 SCI 领域也取得了一定的进步，尤其是跨界学科的发展，给 SCI 的综合治疗提供了新的思路[1-3]。如何立足于实验室成果，将其更好地运用于临床，最终使患者受益，仍是广大学者面临的巨大挑战[4]。因此，进一步重视 SCI 的基础与临床研究具有必要性、迫切性和战略性。

一、SCI 后微环境的修复与构建

SCI 后经历原发性和继发性损伤的序贯过程，造成不同程度的神经元和胶质细胞坏死、凋亡以及轴突断裂和脱髓鞘。原发性损伤是物理打击直接造成的，随后出现细胞膜裂解、血管损伤、出血、局部缺血以及栓塞，是源于神经纤维、神经元、神经胶质细胞膜以及血管的机械性破坏，造成以损伤中心区域出血性坏死为特征的损害，并可扩大为继发性损伤。继发性损伤是序贯性生物瀑布激活所导致的凋亡以及兴奋性氨基酸毒性的损伤所致，损伤后一些从血管中溢出的血液成分，会在随后的几天中成为巨噬细胞活动等免疫反应的基础，引发瀑布式级联反应：包括水肿、炎症反应、局部缺血、谷氨酸受体过度激活所致的兴奋性氨基酸中毒、脂质过氧化作用、钙离子超载、细胞因子及凋亡、自由基损伤与脂质过氧化反应、一氧化氮 / 一氧化氮合酶 ( NO / NOS ) 神经毒性作用等。脊髓的继发性损伤是导致感觉和运动功能丧失的主要原因，由于神经元相对脆弱，其对微环境中因素的变化较为敏感，因此在研究中应当重视这些因素所带来的影响，通过外源性辅助性细胞或细胞因子、相应药物或其它方式调整和修复神经元生存微环境，使之有利于脊髓修复，这是SCI 治疗的重要手段之一。

中枢神经细胞再生受到内因和外因的影响。内因是指通过使用神经营养素 ( neurotrophins，NT ) 家族和神经营养因子 [ 以胶质细胞源性神经营养因子 ( glial cell derived neurotrophic factor，GDNF ) 为代表 ] 保护神经细胞和加强其再生能力。外因是指改善细胞外部条件，例如从对抗髓内抑制性蛋白等方面来开展。使用外源性辅助性细胞 [ 例如中枢神经系统 ( central nervous system，CNS ) 的嗅鞘细胞 ( olfactory ensheathing cells，OECs ) 和外周神经系统的雪旺细胞 ] 促进髓鞘再生以及使用外源性神经生长因子 ( 例如 Trk 家族激动剂类 ) 促进神经再生是微环境修复的两个重要方向。冯世庆等[5]使用基因工程手段将二者结合在一起，证明高表达脑源性神经营养因子 ( brain derived neurotrophic factor，BDNF ) 或神经生长因子 ( neuron growth factor，NGF )的雪旺细胞促神经再生功能作用比普通雪旺细胞更为明显。这些经过体外修饰的雪旺细胞移植入脊髓后不仅能填充损伤空洞、促进神经再生和轴突再髓鞘化，而且能减少胶质伤疤形成，降低神经再生障碍发生率。何成等[6]研究指出 OECs 的迁徙能力与其促进神经轴突再生能力有关，其中肿瘤坏死因子 α ( tumor necrosis factor α，TNFα ) 和 GDNF 均能促进 OECs 向损伤区域迁徙，而抑制分子受体 ( Nogo-66 receptor，NgR ) 则抑制其迁徙，提示 OECs 促进神经轴突再生的能力还能进一步挖掘。游思维等[7]指出 OECs 与雪旺细胞相比，能与星形胶质细胞有更好的整合，通过减轻炎症反应和组织破坏，OECs 在抑制胶质瘢痕形成上具有更加独到的作用。

在 SCI 的发生发展中，多因素炎症反应过程是导致继发性损伤的重要因素，其病理性炎症环境涉及多种复杂调节机制。SCI 后炎症反应具有两面性，既是机体对损伤因素的积极应答，也是造成脊髓继发性病理损伤的关键因素。SCI 后炎症反应主要由 CNS 活化的胶质细胞和外周来源的免疫细胞等分泌细胞因子、趋化因子、活性氧和第二信使调节，是免疫、生化、病理生理过程共同作用的结果，严重程度取决于原发性损伤的机制及继发性损伤的病理过程[8-10]。炎症反应的急性期以中性粒细胞和单核细胞入侵脊髓受损区域为特征，慢性期以淋巴细胞介导为主。胶质细胞对 SCI 反应迅速，在数小时内即可上调炎性因子表达，因此可以将SCI 后炎症病理过程作为干预靶点，这为 SCI 的治疗提供了新的方向。

水肿是脊髓继发性损伤的重要病理过程，受损神经元内部离子通道的开放和胶质细胞外源性水通道蛋白的释放都参与组织水肿过程。离子通道蛋白 1 ( Na-K-Cl cotransporter 1，NKCC1 ) 被认为是神经元细胞水肿的关键影响因子，而水通道蛋白家族 ( aquaporins，AQPs ) 是近年来发现的调控水分子平衡的重要信号蛋白。研究发现 NKCC1 在 CNS 神经元和胶质细胞中都存在广泛表达，在中枢神经损伤后组织内 NKCC1 表达量增高，而使用布美他尼抑制 NKCC1 后，p-Erk 水平降低，能够减轻神经元凋亡[11]。

亚低温治疗能够通过降低氧耗量、改善脑血流、减轻脑水肿等途径改善受损组织微环境，具有独特的神经保护作用。然而在亚低温环境中，普通干细胞的活性很低，难以充分发挥保护作用。张赛等[12]通过将温度敏感型猿猴病毒抗原引进导入至脐带间充质干细胞 ( mesenchymal stem cells，MSCs ) 中，建立了温敏脐带MSCs，实现了亚低温概念与温敏干细胞治疗相结合，其优点是将温敏干细胞最大增殖活性的温度与亚低温治疗的最适温度相契合，为损伤急性期移植提供可行性，及时挽救变性的神经细胞。

酸中毒在 SCI 过程中比较常见，但是其具体机制仍不得而知。冯华等[13]认为脊髓神经元上酸敏感性离子通道 1a ( acid-sensing ionic channels 1a，ASIC1a ) 在继发损伤中具有重要的作用。在脊髓继发性损伤中，ASIC1a 及其引起的钙内流都显著增高，提示酸中毒有可能是引起神经元钙超载损伤的重要原因之一。

二、SCI 后轴突再生与神经环路的重建

神经再生及神经环路的重建是 SCI 治疗最终要实现的目标，也是最重要的科学问题。目前研究认为，单纯依靠内源性神经再生不能够满足恢复受损神经环路的要求，而外源性的细胞替代、组织功能桥接和小分子化合物的使用能够更大程度地实现这一目标。

干细胞治疗在重新构筑损伤脊髓和促进功能恢复方面已经展现出了巨大的潜力，然而其在临床应用中仍存在着许多问题[14-16]。胚胎干细胞 ( embryonic stem cells，ESCs ) 因为来源的伦理问题及移植后的致瘤性问题等限制了其临床应用；诱导性多潜能干细胞 ( induced pluripotent stem cells，iPSCs ) 来源于自体细胞的重编程，虽然没有伦理问题，但因外源性基因导入，其临床应用也存在着有效性和安全性的问题；MSCs 没有伦理争议且来源广泛，在抑制炎性细胞活化、重构局部血供系统以及分泌促神经再生因子方面有独特的优势，但由于其分化潜能弱于其分泌潜能，在治疗细胞缺失严重的慢性 SCI 中不是最佳备选细胞；不同来源的MSCs 其生物学特性不尽相同，对于晚期 SCI 的治疗应用 MSCs 不是理想选择。

生物材料、种子细胞和信号分子是构建具有促进体内组织再生功能组织材料的三要素。在使用组织功能技术进行 SCI 治疗的过程中，应该选择适合损伤修复的不同理化属性及不同结构形态的支架材料，并对支架材料进行三维结构及生物相容性改造，创造更适合种子细胞生存和神经环路重建的微环境[17-19]。我国科学家在生物支架材料结合再生因子构建 SCI 微环境研究中也取得长足进展，比如利用壳聚糖支架搭载 NT3 的复合生物材料促进成年内源性神经发生修复 SCI，避免了伦理纠纷、免疫排斥反应及肿瘤发生的风险，同时借助转录本分析揭示了 SCI 修复的分子机理，即 NT3-壳聚糖支架在激活成年内源性神经发生的同时，促进了血管的生成并抑制了炎症细胞的浸润[20]。2013 年，诺贝尔奖获得者美国斯坦福大学教授 Südhof Thomas C 专门撰文对此项研究成果评述。我国学者还研制出能与胶原材料特异结合的神经再生因子，通过与胶原支架材料特异结合，构建了特异结合再生因子的智能生物材料，如 CBD-BDNF、CBD-NT3、CBD-NGF、CBD-bFGF、CBD-VEGF，解决了再生因子空间定位和浓度维持的技术难题，通过大鼠 SCI 模型证实，该生物材料能够减少损伤面积扩散，引导神经纤维有序再生，促进神经再生及神经功能恢复，并在随后的比格犬大段缺损全横断 SCI 修复实验中证明其具有相同的效果，并首次实现全横断 SCI 犬的站立和行走[21]。

三、SCI 再生修复的临床转化研究

SCI 属于尚未解决的重大医学难题。只有按照国际标准实施临床试验研究，研究成果才能够得到国际同行认可。我国科学家在 SCI 临床试验研究方面做了大量的尝试。查询 Clinical trial 网站，目前开展的 SCI 临床研究中干细胞结合生物支架材料临床研究均为中国注册，表明我国相关临床研究已走在世界前列。2016 年，《Cell Transplantation》发表了慢性完全性 SCI 的国内临床 I / II 试验结果，表明脐带血单核细胞移植辅助髓内减压和支持行走训练 65% 的患者表现出不同程度的功能恢复，但是单纯细胞移植患者虽然在影像学方面出现了脊髓内部纤维可塑性变化，但是功能恢复不明显[22]。总体来说，我国学者已鉴定出 SCI 微环境中抑制神经轴突生长和神经干细胞分化的关键分子，为解释脊髓神经再生困难的原因提供了依据；通过支架材料、再生因子与干细胞结合构建 SCI 再生微环境，促进神经干细胞向神经元分化，重建脊髓受损的神经网络，实现部分 SCI 功能修复；提出并初步证实了内源性神经干细胞分化为神经元和组织工程神经元网络 ( 或类脊髓组织 )形成神经元中继器是完全性 SCI 功能恢复的主要机制；开展了生物材料结合干细胞治疗 SCI 的临床研究，我国多策略修复 SCI 的临床研究已走在世界前列，为后续研究奠定了基础。

总结已有的临床研究结果，多数学者认为由于 SCI 后复杂的微环境，单一的治疗方法效果非常有限，多种策略联合应用 ( 生物材料、再生因子、干细胞 ) 被认为是促进神经功能恢复的一种有效策略[23-25]。但在 SCI临床研究中尚面临一些需要解决的问题，比如：由于脊髓休克的存在，目前常用的 ASIA 分级并不完全适合急性 SCI 严重程度的判定，如何判定患者为完全性损伤？陈旧性 SCI 患者损伤区的瘢痕可抑制神经再生，在手术中如何区分陈旧性 SCI 的瘢痕组织与未受损伤的脊髓组织，以便清理瘢痕？如何防止 SCI 后外周神经和肌肉失用性萎缩等问题亟待解决。

SCI 再生修复一直是困扰医学界的世界性难题，是影响国家经济社会发展的重大科学问题。神经损伤修复是一个极其复杂的生物学过程，神经组织又涵盖大量不同类型的细胞，加之损伤后有淋巴系统的侵入以及各类内源干细胞的活化，进一步增加了细胞群体内的异质性。目前，我国学者在该领域已取得很大的进步，但在取得成绩的同时，我们还存在很大的不足，这也给致力于 SCI 领域研究的同道提出了更高的要求和期盼。目前，随着医学技术的发展，多个具有潜力的治疗方向已经出现，相信在未来随着相关研究的深入，会有更多成果运用于临床，为 SCI 患者带来福音。