生物支架联合干细胞移植治疗脊髓损伤的研究进展

李 涛 谭龙旺

(1 延安市中医医院骨科，陕西省延安市 716000；2 陕西中医药大学附属医院脊柱骨科，陕西省咸阳市 710077)

【提要】 脊髓损伤是一种由外伤等原因引起的神经损伤性疾病，可导致患者损伤部位以下感觉和运动功能部分或全部丧失。目前脊髓损伤的治疗方法包括手术治疗、药物治疗、高压氧疗、脉冲电疗等，虽然这些方法能延缓脊髓损伤的进展，但对神经功能的改善效果并不理想。近年来有学者提出，干细胞移植能在一定程度上促进神经功能恢复，对于脊髓损伤患者的康复具有重要意义，但如何将干细胞高效地应用于脊髓损伤的治疗，仍是一项巨大的挑战。研究表明，将干细胞种植于生物支架后再移植于脊髓损伤部位，可显著提高干细胞存活率，促进损伤脊髓的恢复。但由不同生物材料制作而成的支架的移植效果存在差异，选择合适的生物支架对于促进脊髓损伤后的功能恢复具有重要意义。本研究通过总结国内外相关文献，分析干细胞移植治疗脊髓损伤的优势与不足，探讨生物支架联合干细胞移植治疗脊髓损伤的应用前景。

脊髓损伤的低治愈率和高致残率给患者和社会带来了沉重的经济负担，探索科学可行的治疗技术是目前的研究热点之一。研究表明，干细胞可以促进损伤神经细胞分化、促进轴突再生、减轻炎症反应，对于骨髓损伤患者神经功能的恢复具有重要意义；但单纯干细胞移植的细胞存活率低，且因脑脊液不断流动，干细胞很难定植于损伤脊髓部位，不能定向分化及难以跨越胶质瘢痕[1-4]。将生物支架应用于脊髓损伤治疗是近年的研究热点，生物支架可显著提高干细胞的存活率，改善损伤局部的微环境，填充损伤区域的空腔。另外，联合生物支架治疗可以诱导干细胞定向生长，缓慢释放神经营养因子，更有利于干细胞穿越胶质瘢痕，促进损伤后运动功能的恢复[5-12]。目前生物支架联合干细胞移植治疗脊髓损伤取得了一定成效。为此，本研究对生物支架联合干细胞移植治疗脊髓损伤的研究进展进行了综述。

1 不同干细胞移植治疗脊髓损伤的效果

1.1 神经干细胞移植治疗脊髓损伤 神经干细胞来源于神经组织，是分化程度最高、再生能力最强的细胞之一，其可分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞，在神经再生中起着至关重要的作用[13]。研究表明，神经干细胞具有无限增殖的能力及多向分化的潜能，移植至脊髓损伤患者体内可直接代替损伤处的细胞发挥作用，并能分泌多种神经营养因子及调节机体免疫平衡因子以改善微环境，促进神经元定向分化，进而促进神经组织修复[14-16]。总之，神经干细胞不仅分化能力强，且能够调节微环境，将其应用于脊髓损伤患者的治疗或许能取得良好的疗效。

1.2 间充质干细胞移植治疗脊髓损伤 间充质干细胞是一类源于中胚层的多能干细胞，具有自我更新和多项分化的潜能，如跨胚层分化为神经细胞，同时其可以发挥营养神经、调节免疫平衡、抗氧化应激和抗凋亡等作用，是脊髓组织损伤后很好的移植材料[17-18]。间充质干细胞来源比较丰富，获取及培养方式较简单；在培养过程中其生物学特性基本不发生改变，具有高度的分化能力及良好的可移植性；其无移植免疫排斥反应，能够改善脊髓损伤患者的继发性损害，提高突触间传递能力，促进神经传导系统的重建，从而可改善患者肢体的部分运动及感觉功能[19-21]。这些优势使得间充质干细胞在脊髓损伤的移植治疗中具有广阔的前景。

1.3 其他干细胞移植治疗脊髓损伤 有学者发现，脊髓损伤后进行嗅鞘细胞移植不仅可以保护脊髓损伤区的神经组织，促进轴突及髓鞘的再生，还可以抑制神经和周围细胞异常的增生，减轻炎症反应，从而改善微环境，促进神经元的修复、轴突和髓鞘的再生[22-24]。研究表明，通过移植施万细胞至脊髓受损处可以减轻组织继发性损伤，维持轴突可塑性，促进轴突再生和再髓鞘化[25]。此外，胚胎干细胞也可在中枢神经系统中分化为新的细胞和分泌神经营养因子,从而促进脊髓损伤后肢体运动和感觉功能的恢复[26]。干细胞种类繁多，用于移植治疗具有自身独特的优势，未来还需更多的研究来筛选更利于神经恢复的干细胞类型。

1.4 干细胞移植治疗脊髓损伤的局限性 虽然目前大量研究证实了干细胞移植在脊髓损伤治疗中的应用前景十分广阔，但将其应用于临床仍面临着诸多挑战。脊髓损伤部位的微环境比较复杂，而复杂的微环境可使干细胞移植的体内治疗作用降低，且部分患者存在免疫排斥反应及干细胞异位扩散致瘤风险[27-28]。此外，轴突再生相关机制极为复杂，单独应用干细胞移植时存在细胞存活率低、分化方向不可控等缺点[29]。因此，如何提高移植细胞的存活率及调控细胞的分化状态，是目前的研究热点之一。本文也将对目前备受学者关注的生物支架作为研究重点，探讨生物支架联合干细胞移植用于治疗脊髓损伤的前景。

2 生物支架的种类及特点

近年来，组织结构工程学的兴起为脊髓损伤的治疗提供了新方向，并取得了初步进展。多数研究是将干细胞种植于生物支架后，再共同移植到损伤脊髓处。生物支架可以通过抑制神经细胞的凋亡来抑制炎症因子的释放，促进细胞分化，改善损伤部位局部的微环境，以及加强信号通路之间的传导，具有更好的修复作用[30]。目前生物支架主要分为天然支架、合成支架、复合支架。天然支架具有良好的生物相容性，生物降解性好，形态重塑性强，毒副作用低；但天然支架力学性能较差,无法为细胞攀爬提供足够的力学支撑，且降解速度快。合成支架材料具有较好的力学性能，合成较为容易，且近年来，可以通过3D打印技术个性化制作合成支架，具有成型快速、产出量大的优势[31]。但合成支架的细胞相容性差,在降解过程中易导致酸性环境形成，从而对细胞产生一定损害。复合支架由天然材料及合成材料组合而成,具有两者的优点，但是造价昂贵[32-36]。复合支架虽造价昂贵，但与干细胞之间存在良好的生物相容性，并且在移植后对微环境的不良影响较小，是较为理想的生物支架。

3 生物支架联合各种干细胞移植治疗脊髓损伤

3.1 生物支架联合神经干细胞

3.1.1 生物支架联合原始神经干细胞：曹宗锐等[37]研究发现，胶原/硫酸肝素支架具有良好的生物学性能，内部具有多组平行的多孔结构，将神经干细胞种植于胶原/硫酸肝素支架后填充于大鼠脊髓损伤处，可以构建适合神经细胞再生的微环境，有利于大鼠脊髓损伤处部分神经元回路的重新建立，促进神经纤维再生，从而改善脊髓损伤后大鼠肢体的部分运动功能。Wang等[38]将神经干细胞在壳聚糖/明胶支架上培养，发现神经干细胞能很好地在壳聚糖/明胶支架上黏附与生长，并朝着神经元与星形胶质细胞方向分化，缓解了脊髓损伤大鼠后肢体的运动障碍。漆国栋等[39]将稳定传代的神经干细胞与脊髓脱细胞支架用于构建组织工程脊髓，通过观察神经干细胞在支架上的黏附、生长与分化情况，发现干细胞可很好地黏附在该支架上，并逐渐分化为胞体丰满、轴突清晰的神经元和神经胶质细胞，且分化后的神经元轴突之间可以建立稳定的联系，形成的轴突还可深入支架基质孔隙中。

3.1.2 生物支架联合其他来源或衍生的神经干细胞：有学者发现，将3D打印支架联合尿液细胞来源的诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)-神经干细胞(neural stem cells,NSCs)移植于大鼠急性脊髓损伤区域后，电镜下观察发现大鼠受损节段的脊神经纤维生长良好，大鼠的运动和感觉功能有所恢复[40-41]。Zhou等[42]分别将iPSCs-NSCs联合聚己内酯支架、NSCs联合聚己内酯支架填充于大鼠脊髓损伤区域，观察到iPSCs-NSCs在支架上的生长状况优于NSCs，iPSCs-NSCs组大鼠脊髓损伤处病变腔的空间范围小于NSCs组，且大鼠下肢运动功能的改善更为显著，表明联合组移植对病变区域的修复能力强于单纯组。张雪松等[43]将于大鼠鼻呼吸黏膜组织获得的外胚层间充质干细胞并诱导分化为神经干细胞，然后将其种植于纤维蛋白支架并移植于大鼠脊髓损伤处，结果表明纤维蛋白支架对外胚层间充质源性的神经干细胞的生长具有良好的促进作用，对脊髓损伤后的组织学重建和功能恢复均具有明显的促进作用。

综上所述，将生物支架与神经干细胞进行联合移植，可以促进干细胞的存活，改善损伤处的微环境，使细胞可以更好跨越损伤区域，并可促进信号通路的传导，对损伤肢体感觉及运动的改善具有良好的促进作用。

3.2 生物支架联合间充质干细胞

3.2.1 生物支架联合骨髓间充质干细胞：Kim等[44]将骨髓间充质干细胞分别种植于壳聚糖支架及聚乳酸-糖基乙酸支架，并将两者分别移植于大鼠脊髓损伤处，结果显示与单纯骨髓间充质干细胞移植相比，支架联合骨髓间充质干细胞移植的细胞存活率高，且具有更好的神经保护作用，对大鼠运动功能的改善更为显著，但两种支架的移植效果并无明显差异。王健豪等[45]观察3D打印水凝胶支架联合骨髓间充质干细胞移植与单纯骨髓间充质干细胞移植治疗大鼠骨髓损伤的效果差异，发现联合组可更有效地促进脊髓损伤大鼠的运功、感觉功能恢复，以及改善神经电信号传导功能。

3.2.2 生物支架联合脐带间充质干细胞：Wang等[46]将人脐带间充质干细胞种植于胶原蛋白支架后移植至大鼠脊髓损伤处，发现与单纯人脐带间充质干细胞移植相比，该方法可更好地改善大鼠皮质的运动和体感诱发电位，对大鼠运动神经功能具有更好的修复作用，并可抑制不利于细胞修复的星形胶质细胞的生长。Zhao等[47]将含有人脐带间充质干细胞的神经再生胶原支架植入大鼠脊髓损伤部位，发现人脐带间充质干细胞可正常增殖，也未出现异位扩散，并且大鼠体感和运动诱发电位反应区扩大、肢体活动范围增加、自主神经功能有所恢复。以上研究表明，人脐带间充质干细胞联合支架治疗脊髓损伤安全且有效。

3.2.3 生物支架联合其他间充质干细胞：Zhang[48]将牙髓干细胞与壳聚糖支架共培养，发现壳聚糖支架可提高牙髓干细胞的活性和分化率，促进牙髓干细胞分泌神经细胞(少突胶质细胞、星形胶质细胞、神经元)特异性标志物的表达；将牙髓干细胞与壳聚糖支架联合植入脊髓损伤大鼠的病灶处后，大鼠后肢的局部运动功能改善，病灶处的凋亡细胞减少。这表明牙髓干细胞联合壳聚糖支架可促进神经元分化，有利于损伤脊髓的修复。杨文静等[49]观察了外胚层间充质干细胞在定向多通道纤维蛋白支架上的生长、分化情况，发现外胚层间充质干细胞可正常生长，且此种特殊支架有利于外胚层间充质干细胞的黏附、迁移及向神经方向分化。这一研究结果或可为将为多通道纤维蛋白支架联合外胚层间充质干细胞用于脊髓损伤修复提供新思路。

3.3 生物支架联合其他干细胞 崔学文等[50]将来源于外胚层间充质的施万细胞种植于纤维蛋白胶支架，观察其在大鼠损伤脊髓中的生长、分化情况，以及与纤维蛋白支架环境的组织相容性，评价该移植治疗脊髓损伤的效果。结果显示，与单纯纤维蛋白胶支架相比，种植有来源于外胚层间充质的施万细胞的纤维蛋白胶支架与组织具有良好的相容性，对大鼠脊髓功能的恢复具有明显的促进作用[50]。柴斌等[51]将施万细胞种植于聚乳酸-羟基乙酸多通道支架，观察其对脊髓损伤后大鼠的治疗效果，结果表明该支架极大限制了星型胶质细胞的入侵,使得再生轴突能够进入管道内并形成一致的排列。该结果表明，生物支架能够为轴突再生提供环境，联合干细胞移植治疗脊髓损伤可促进局部感觉和运动系统功能的恢复。

3.4 生物支架联合经基因修饰的干细胞 赵宣淇等[52]将NT-3基因修饰的骨髓间充质干细胞种植于水凝胶支架后移植到脊髓损伤大鼠,发现其可提升大鼠的肢体运动能力，提高损伤区域神经元及神经纤维数目，减少胶质瘢痕形成。Li等[53]将丝素蛋白支架与神经营养因子-3修饰的干细胞共同移植到脊髓损伤模型犬中，发现干细胞可以从支架内持续释放到损伤组织周围，明显改善犬的肢体运动系统功能。Araújo等[54]将过表达人碱性成纤维细胞生长因子修饰的神经干细胞联合纤维蛋白支架移植至大鼠脊髓损伤部位,结果表明其可发挥有效的神经保护作用，可更好地促进轴突生长，使细胞生长因子含量增多、炎性因子释放减少，改善局部微环境。

4 小结与展望

生物支架联合干细胞移植治疗脊髓损伤优势显著，选择合适的生物支架可以更好抑制细胞凋亡，为受损部位的轴突提供衔接，使干细胞充分释放并增殖，为促进脊髓神经功能的恢复提供良好的微环境。但是不同生物支架具有不同结构和特性，植入生物支架需要充分考虑植入后的免疫排斥反应、材料的支撑强度及生物降解性。因此，在今后的研究中，需要针对脊髓损伤各时期特点制订相应的联合治疗方案，并且选择损伤最小、治疗效果更佳的植入方式。