再生醫療促脊柱重塑

王曉明 張長青/編譯

在杜克大學洛里·賽頓試驗室，研究人員希望利用干細胞與生物材料結合再生出椎間盤

●外科醫生可以按照傳統醫學方法幫助修復受損脊椎。現在，他們又在嘗試利用生物工程材料制成生長細胞，將其注入到脊柱，以取代受損的脊骨。

45歲的瑪麗在明尼蘇達州做零售工作，2004年，她的頸部突然出現劇烈疼痛，伴隨著這種疼痛，她竟忍受了七周時間。后來，在醫生的最終建議下，她做了磁共振成像(MRI)掃描,結果顯示，她的中間頸椎部位有損傷。在實施過椎管擴大成形術后，疼痛消除了。可是就在去年，瑪麗的脖子開始僵硬,手臂也感覺麻木。這一次，外科醫生將她的兩塊受損椎骨實施了融合，否則她連轉頭的功能都受到了限制。瑪麗說，“在做融合手術前，我幾乎動彈不得，現在卻又重獲新生了。”

瑪麗的脊柱疼痛并非個案，發生腰背疼的情況當今已非常普遍，大約80%以上的人在其一生中都有過腰背痛的經歷，近四分之一者會遭受慢性下腰痛的折磨，其致殘率高達10%以上。甚至有40%的青少年和兒童在某個時段也會出現腰背痛現象。目前，通過正在開發中的骨融合技術就能修復受損的脊柱，且病人的活動范圍不會受到限制。

局部修復

脊柱的柔性結構是由24塊活動椎骨和椎間盤連結而成的，正是由于這種結構的特殊形態，進而提供了許多容易致傷的局點。摔一跤也有可能造成骨折，但骨頭本身卻可以自行愈合。在2013年英格蘭足總杯比賽中，美國門將蒂姆·霍華德（Tim Howard）摔斷了兩根后背骨，在未經治療的情況下，它們竟自然愈合了，也沒有影響到脊柱的穩定性。

但如果骨折傷及的是某些不易獲得骨愈合的高危病人，如吸煙人群或榶尿病患者時，則他們脊柱的機械穩定性就會處于危險境地，那么醫生就需要采取行動了。俄亥俄州克利夫蘭診所的脊柱外科醫生伊恩·卡爾法斯 （Iain Kalfas）在實施骨折治療中，使用了骨形態生長蛋白(BMP)，他認為，適合骨骼加速生長的是BMP-2，該產品作為灌注劑是由醫療技術公司美敦力向市場推廣的，其公司總部設在明尼蘇達州的明尼阿波利斯。

但加速生長蛋白也不能常用，因為BMP在某些人群中是禁止使用的，比如癌癥患者。據明尼蘇達州羅徹斯特市梅奧診所的脊柱外科醫生邁克爾·雅斯曼斯基（Michael J.Yaszemski）解釋，“提高愈合細胞分裂速率的同時也會導致癌細胞的同樣瘋長。另外，成本也是一個問題。雅斯曼斯基說，“目前，BMP的價格昂貴的令人難以置信。”一個劑量的BMP竟高達6 000美元，而某些治療情況則需要若干個這樣的劑量。另外，由醫生經常自行使用的BMP藥并沒有在臨床上得到認可，這即意味著醫保部門可能不會為其報銷，只得讓病人自行買單。作為一種選擇，外科醫生可以使用脫鈣骨基質(DBM)。DBM是構成骨骼的有機材料，包括BMP和其他生長因子。一個劑量的DBM成本不到800美元。

決定使用BMP注入或DBM將取決于幾個因素。首先，卡爾法斯稱，盡管DBM在增加骨融合方面具有潛在的優勢，但通過跟蹤記錄顯示，BMP注入的效果更佳，所以，當外科醫生懷疑病人骨愈合可能性不大時，他們則更喜歡采用灌注方式。接下來涉及的是成本問題。如果注入并非絕對需要，病人可以選擇DBM，用以節省數以萬計的美元。再者，由于會出現膨脹和呼吸受阻的危險，因此，大多數外科醫生不想在頸椎上采用灌注方式。

最常見的一些腰部外科手術主要涉及的是椎間盤。每個椎間盤看起來很像是一個充滿了果凍的輪胎，其中心被稱為髓核(參見“椎間盤詳解圖”)。椎間盤充當著椎骨間減震器的作用，允許彎曲和扭轉，讓骨骼保持分離狀態，便于神經在椎管內傳遞。當其受到擠壓時，髓核會被外推出來，而輪胎狀纖維環則有防止外突破裂的作用。可是，隨著時間的推移，椎間盤可能會出現磨損老化或因傷受損的情況。如果椎骨的分離功能不再保持，脊髓神經就會受到壓迫，導致瑪麗痛苦經歷的過程也就不足為奇了。

脊柱外科手術，依其難易程度可分為：較復雜的椎間盤切除術，切除部分膨出的椎間盤，其次是椎板切除術，也就是瑪麗首先經歷的手術過程，部分地切骨再融合，以便留出供神經傳遞的空間。典型的融合手術是，外科醫生要將兩個螺絲插進每個椎骨間使其融合，并用鈦棒將他們連接起來。卡爾法斯說，“螺絲和鈦棒就像是一塊鑄件,足以讓脊柱仍能保持每塊椎骨間的連接，進而形成一座骨橋。”外科醫生一般會從骨盆上移植接骨，促發椎骨的生長，但卡爾法斯采用的卻是另外一種方法。他先行實施椎板切除術，用高速鉆切骨下來，然后將粉骨料收集起來，置于椎骨周圍等待融合，通常會添加一些DBM以輔助骨骼的生長。

補骨妙法

當椎間盤受損后，某些外科醫生寧可使用人工椎盤來替代，也不愿實施脊骨融合術，但這種情況并不常見。人工椎間盤通常是由金屬、塑料或兩者的結合體制成的。在不涉及引入體內異物的情況下，有些研究人員希望能找到一種更趨自然的修復方式。

一種方法是將某類物質注入到受損的椎間盤中，使其‘再膨脹’。據佐治亞州亞特蘭大埃默里大學骨科和脊柱中心研究員王自力 （Zili Wang）介紹，“人們正在尋找能夠誘導細胞周圍基質產生的分子。傳統的做法是，人們一直在使用的是BMP。”王及其同事稱，一種被稱之為連接蛋白肽的分子可以使其分子得以構建，并在椎間盤中形成基質。連接蛋白肽創立基質時不會象BMP-2那樣會多生成骨質，這樣做很有裨益，因為用骨頭向椎間盤內進行填充，與向輪胎中填充礫石的道理是一樣的。

皮膚細胞也可以引發修復。據休斯頓脊椎細胞醫療科技公司首席執行官彼得·奧希羅恩 （Peter O'Heeron）介紹，“當脊柱受到機械壓迫并處于低氧環境時，皮膚成纖維細胞就會變成軟骨。”該公司在與休斯頓萊斯大學生物工程師安東尼奧·米可斯（Antonios Mikos）合作時顯示，在組織培養中他們發現了上述過程在起作用。伊利諾斯州芝加哥拉什大學醫學中心整形外科醫生霍華德·安 （Howard An）在對試驗兔研究中發現，向髓核中注入這些皮膚細胞后可以生成軟骨細胞，這些軟骨細胞僅在四周時間內就能生長出來。與典型的髓核細胞一樣，軟骨細胞也可以釋放出助力椎間盤的基質材料。

但是，有些研究人員相信，細胞本身并不能引發椎間盤的修復。例如，杜克大學機械工程師羅莉·賽頓（Lori Setton）曾對日本東海大學醫學院酒井大輔的試驗做過點評。他指出，東海試驗小組將嵌入到膠原蛋白凝膠中的間充質干細胞(msc)移植到試驗兔退化了的椎間盤上，發現凝膠有使MSC細胞發生增殖和變異的作用。

賽頓說，“這項工作仍處于早期階段，盡管有許多可注射的生物材料已通過臨床試驗，但細胞運送的過程卻從未發生過。”賽頓和她的同事希望改變這種狀況，他們對改性后可注射的聚乙二醇凝膠進行過測試，以期讓這些來自患者的細胞能夠運送自體原發性椎間盤細胞。試驗小組所選擇的這項被稱之為自體椎間盤軟骨細胞移植技術是由德國公司開發的，通過研究顯示，當自體軟骨細胞被注入到受損的椎間盤后，不僅可以存活，且會生成基質。賽頓團隊希望通過自體細胞與生物材料的結合能獲得更好的效果，為他們提供一個生長的地方。

有些研究表明，對于并非來自病人自身的同種異體細胞也可以使用。例如，總部設在澳大利亞墨爾本的一家醫療技術公司Mesoblast正在進行二期試驗,他們用同種異體干細胞加入透明質酸注射到受損的椎間盤，在人體許多部位都發現過這種基本的糖分子鏈，包括皮膚和關節。據這家公司報道，根據中期試驗結果表明，有近四分之三受試患者的背痛癥狀均有減輕跡象。

一種生物工程椎間盤(右)已在試驗鼠身上做過真正椎間盤(左)的替換，并最終希望用于人類身上

同樣，馬里蘭州羅克維爾市的生物制藥公司TissueGene正在開發一種TG-D的產品，該產品采用基因工程同種異體細胞以修復椎間盤。TG-D是由人類軟骨細胞構成的，能產生β-1轉化生長因子，一種能夠刺激生產更多軟骨細胞和其他增加椎間盤基質細胞的蛋白。

紐約西奈山醫學院機械工程師詹姆斯·拉特里迪斯（James Iatridis）指出，通過針刺的方法向椎間盤中注射任何類型的細胞都會引來麻煩，因為針孔需要填補。拉特里迪斯將纖維蛋白做過改性，一種參與血液凝固的蛋白，通常用作手術的粘合或密封，其硬度與纖維環的機械性能不相上下，而且作為針孔密封劑已經在動物模型上做過測試，也進行過組織培養。這是一種可注射的密封劑，對于局部治療可能非常實用，修復更大范圍的損傷也可以采用類似的策略。拉特里迪斯說，“我的夢想是，作為一名外科醫生可以用一根針和兩個注射器先行實施細胞注入療法，然后再修復針孔，使椎間盤恢復到健康的生物力學狀態。”

這些療法可以避免大面積的修復勞作。例如，出現早期椎間盤疾病跡象的年輕病人，則可以受益于此法的治療，從而能阻止任何的進一步損傷，延緩疾病的發展。

更換纖維環

費城賓夕法尼亞大學生物工程師杰森·伯迪克（Jason Burdick）和羅伯特·莫克（Robert Mauck）的想法是，不用去修復被壓扁的椎間盤，而是希望用生物材料來代替它。我們開始從已知體內發現的分子著手。很好的例證就是透明質酸。通過化學改性，研究人員可以將其變成多種形式，包括水凝膠，通常用作組織修復。

但是，設計一個新的椎間盤需要找對合適的材料。纖維環由15-25同心環組成，就象圓型樹干一樣，除了膠原蛋白外，要被彈性蛋白纖維隔離開。層纖維在方向上也是相互交替的，在一個環內的層纖維角度高于椎間盤平面約30度，在接下來的環中的層纖維方向低于平面30度等等。這樣的布局能讓椎間盤具備一定的強度。莫克、伯迪克及他們的同事特拉華大學的道恩·艾略特采用了靜電紡絲法，從液體中生成精細的纖維，使其構架于生長的干細胞上。

不能過度承諾

研究人員希望利用這些技術制作出新的椎間盤，目前，他們正在對試驗鼠尾巴進行測試。菲克提出警告：“如果承諾過度，會對我們的領域產生不利影響。”他所要表達的意思是，在某些方面工作進展的順利，并非代表著在其他方面也一切都好。

紐約伊薩卡康奈爾大學生物醫學工程師勞倫斯·波那薩（Lawrence Bonassar）做過一些最先進的椎間盤替換工作。他和他的同事們利用藻酸鹽中另一種糖鏈的髓核細胞生成的、懸浮在果凍狀膠原蛋白上的纖維細胞環設計了一個椎間盤，他們制成了兩塊組織，并將它們復合在一起協同工作。他的團隊利用這種結構替換了老鼠尾巴上的一塊椎間盤，經歷半年的試驗，結果發現，老鼠尾巴的功能作用一切正常。我們設問，如果為我們自己的身體更換一個健康的椎間盤，讓其融入周圍的脊柱，以便承載正常的身體負荷模式，波那薩肯定地說，這樣的結果一定會受到大眾歡迎的。

波那薩坦承，畢竟老鼠的尾巴與人類的腰部或頸部是有很大區別的。下一步將測試狗脖子上的椎間盤。一來可以幫助治療患有頸椎疾患的狗，再者還可以為人類的研究提供借鑒。波那薩正試圖將源于人類骨髓的細胞應用到他的基因工程椎間盤上，直至向人類提供最終的應用。

量身定做

設計本身并不能創建一次治療過程。 然而，當你開發出生物材料的椎間盤時，你還需要去適應它，因此工程師們必須要與外科醫生通力合作。莫克說,“外科醫生會問，在患者尚未出現麻痹癥狀前，我們該如何處置?”除了設計上要滿足施加到椎間盤上的機械限制，以及生化限制要求外，還必須落實到位，并得以保持。

要讓一個通過生物工程改造的椎間盤落實到位，這本身就構成了一項巨大的挑戰。波那薩團隊給老鼠制成的尾巴上椎間盤，其厚度是其間隙厚度的兩倍，椎骨被展開之后，插入椎間盤，放松脊椎，讓受壓的椎間盤擠入椎骨之間就位。如果是較大型動物，可能會需要用膠水或手術縫合的方式來加以穩固。在此方面，則需要進行研究和測試才能確認穩固生物工程椎間盤的最佳方式。

大量的研究正在進行當中，以期開發出能夠利用生物材料制成的椎間盤替代物，且在施用于人類之前，更需要做大量的測試工作。人們不禁會問，在已有金屬或塑料椎間盤存在的情況下，這種努力還值得嗎?有幾個原因能證明是值得的。“對于人工椎間盤而言，一旦將其放入體內，你就無法控制它的延續時間。波那薩稱，通過對比顯示，他的生物工程椎間盤，隨著時間的推移，這種椎間盤會變得越發地結實，因為有細胞在生長和增殖。另外，如果其中一個椎間盤發生了損壞，身體就會將其任何碎片吸收，因為他們都是用自然材料制成的。

此外，生物工程部件可以作為更現實的替代品，其性能優于金屬，因為他們所制成的材料更接近自然結構。此外，生物工程部件，由于其所具有的相似成分，還能與周圍組織融合得更好。

即使是現在，在治療脊柱損傷的某些最先進的療法中也有使用天然材料的案例。相信在不久的將來，會有更多的生物材料行將得到使用，允許部分椎骨通過刮骨再造。決不能忽視生物學上的再造修復能力。