細胞與生物材料聯合治療脊髓損傷的研究現狀

唐璽和，范益民，藍勝勇

(1.山西醫科大學第一附屬醫院神經外科，太原　030001； 2.廣西壯族自治區人民醫院神經外科，南寧　530021)

脊髓損傷的年發病率為2.5/10萬[1]，損傷后多遺留永久的神經功能缺失。脊髓損傷后局部出現血管破裂及細胞死亡，繼而中性粒細胞浸潤，導致局部炎癥形成，引起組織損害。損傷一周左右，局部膠質細胞增生，形成瘢痕，阻礙了軸突的重建及脊髓功能的恢復[2]。目前對脊髓損傷的主要治療方法是損傷早期通過外科手術解除異物對脊髓的壓迫，重建脊柱的穩定性，以大劑量激素聯合神經營養藥物治療。后期以康復治療促進肢體功能恢復。即便如此，脊髓損傷的治療效果仍不能令人滿意。

利用干細胞移植治療脊髓損傷已進行了大量的實驗研究，其治療機理主要包括(1)功能神經元替代，即將干細胞定向分化為功能神經元；(2)營養支持作用: 針對局部抑制微環境和神經營養因子的缺乏，促進局部營養物質的合成和分泌，改善微環境，促進受損神經元軸突再生，同時促進細胞產生多種細胞外基質，填充局部損傷導致的組織缺損，為軸突再生提供支持物。但是大量研究結果發現移植后的細胞存活率較低，限制了細胞移植治療脊髓損傷的應用。

組織工程支架可以模擬細胞外基質的生理狀態，促進細胞的遷移、擴增和分化，組織工程支架材料應具有以下特點：(1)具有良好的生物生物相容性，不會引起炎性反應等。(2)具有可降解性：植入后能適時降解。(3)能引導細胞的遷移、增殖、分化。(4)具有可塑性和一定生物強度：在體外便于塑形，植入后能維持一定時間。

近些年來，隨著新型組織工程材料的出現，科研人員嘗試使用細胞聯合組織工程支架治療脊髓損傷。將組織材料攜帶細胞移植于脊髓損傷部位，新型的材料為細胞生長提供了良好的環境，促進細胞的生長，分化以及與受體細胞之間的功能重建。本文就分別將目前用于治療的細胞，組織材料加以綜述。

1　基于細胞移植治療脊髓損傷

到目前為止，干細胞用于治療脊髓損傷已經進行了廣泛的研究[3-4]。目前用于治療脊髓損傷研究的干細胞主要有以下幾種：

1.1　胚胎干細胞

胚胎干細胞在體外可以分化為神經元、星形膠質細胞、少突膠質細胞，具有多能性。單純胚胎干細胞移植很少使用，目前主要使用由胚胎干細胞分化到神經干細胞或者運動神經元，少突膠質細胞以及聯合一些化學小分子治療脊髓損傷[5-6]，可以改善脊髓損傷動物模型的運動功能。2009年，FDA批準Geron Corporation 進行了人胚胎干細胞來源的少突膠質前體細胞治療亞急性(傷后7～14 d)脊髓損傷病人的I期臨床試驗，但是該實驗在2011年被迫中止。利用胚胎干細胞來源的少突膠質前體細胞移植治療脊髓損傷存在以下爭議：(1)脊髓損傷后神經元發生脫髓鞘的理論缺乏依據，尚無確切依據證明脊髓損傷后存在持續慢性神經脫髓鞘過程，因此，單純移植少突膠質細胞并非首選。(2)從胚胎干細胞來源分化的少突膠質細胞可能存在成瘤性，主要是其中混有部分未分化的細胞或者分化不全的細胞。(3)亞急性期移植少突膠質前體細胞會影響脊髓損傷后機體自身發生的炎性反應，但是至今為止，這種炎癥反應是否對損傷后的康復有利仍然不明確[7]。

1.2　誘導多能干細胞(induced pluripotent stem cells，iPSCs)

誘導多能干細胞為自體干細胞移植帶來新的希望，誘導多能干細胞來源于自體的組織并能提供足量的移植細胞，可以降低免疫排斥反應。隨著分化技術的改進，大量實驗證明使用誘導多能干細胞移植治療是安全的。Paul等[8]將一86歲志愿者的皮膚成纖維細胞誘導為多能干細胞并分化為神經干細胞后將其移植到C5半切的大鼠脊髓損傷模型中，實驗證明，移植的細胞能在大鼠體內形成軸突。Nakamura[9]也充分論述了使用iPS分化而來的神經干細胞移植治療的安全性。

1.3　間充質干細胞

間充質干細胞最早由Friedenstein在骨髓中發現，稱之為骨髓間充質干細胞[10]，之后在人體的多種組織中均發現其存在，其可以分化為成骨細胞、脂肪細胞、成軟骨細胞。間充質干細胞用于治療脊髓損傷機理主要為抑制損傷區域的免疫反應，促進損傷區域的血管再生，釋放生長因子，促進局部神經再生[11]。骨髓間充質干細胞已被用于治療脊髓損傷的臨床I期實驗，大約90%急性脊髓損傷患者經治療有效，而只有少量的慢性損傷患者，對間充質干細胞移植治療無效[12]。

1.4　嗅鞘細胞

嗅鞘細胞包被嗅神經的軸突，對于成年哺乳動物嗅神經的再生與康復，該類細胞具有很強的可塑性，成體的嗅鞘細胞主要從嗅粘膜獲得。Tabakow等[13]利用自體嗅鞘細胞移植治療3例胸段脊髓損傷患者，術后一年，手術組較對照組損傷平面以下運動及感覺損傷有所改善，且手術組無腫瘤形成，無感染病例發生，目前使用嗅鞘細胞移植治療脊髓損傷已進行臨床II期實驗，現有的結果證實嗅鞘細胞移植是有效的，安全的。但是Choi等[14]認為目前臨床使用嗅鞘細胞移植治療脊髓損傷，效果缺乏量化標準，嗅鞘神經細胞移植治療脊髓損傷的機理為其內分泌神經營養因子，如腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)、神經膠質細胞源性神經營養子(glial cell line-derived neurotrophic factor，GDNF)、 神經生長因子(nerve growth factor，NGF)等促進受體神經細胞的生存[15]。

2　生物組織工程材料植入治療脊髓損傷

隨著生物材料的發展，新興的生物材料不斷更新，主要分為天然和人工合成的支架材料。天然的生物材料主要有海藻酸鈉、瓊脂糖等。Estrada等[16]比較了海藻鹽、水凝膠、Matrigel用于治療脊髓損傷的效果，發現海藻鹽的效果優于后兩種材料。des Rieux等[17]用海藻鹽攜帶血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)移植入脊髓損傷大鼠體內，有明顯的治療作用。瓊脂糖是從海藻和熱凝膠中提取的線性多糖，為常用藥物及大分子載體。Gao等[18]將能釋放BDNF的骨髓基質細胞聯合瓊脂糖置入脊髓全切模型大鼠損傷部位，可以促進損傷部位神經軸突的生長。人工合成的生物支架材料主要有人工合成聚乳酸、聚羥基酸、聚乙二醇等。如Mobasseri等[19]使用多聚乳酸材料移植能有效促進大鼠神經纖維修復；Runge等[20]使用聚乙二醇合成的水凝膠移植促進神經纖維修復。Wen等[21]報道了將攜帶VEGF與BDNF的聚乳酸微球粒置入管狀的透明質酸支架中，移植治療脊髓半切損傷的大鼠模型，取得了明顯的治療作用。但是要用于人體內的生物材料必須具備以下特點：(1)具有良好的生物相容性，不會引起炎性反應等。(2)良好的降解性：植入后能適時降解，并與組織細胞相適應。(3)能引導細胞的遷移，凋亡。(4)能防止膠質瘢痕的形成。(5)高通透性：有利于營養物質和神經營養因子通透。而用于脊髓損傷修復的支架材料還應該具有其獨特的性狀，包括：(1)生物支架結構必須更加符合脊髓的構造特點。(2)人工支架能夠為脊髓損傷局部營造出良好的再生微環境。脊髓損傷后神經纖維再生或植入的神經干細胞存活、增值、分化都需要有適宜的微環境[22-24]。目前已經開展研究有針對性的補充各種神經營養因子、拮抗抑制因子等措施，如在透明質酸上加上NT3、BDNF等修飾的分子，將有利于在損傷局部形成神經再生的微環境，提高治療效果。最近Li等[25]使用殼聚糖攜帶神經營養因子NT3移植治療脊髓損傷大鼠模型，發現緩釋的NT3能夠促進大鼠脊髓的神經干細胞遷移到脊髓受損區域并且分化成神經元，形成軸突連接，促進大鼠脊髓損傷的修復。

3　聯合生物材料及細胞治療移植治療脊髓損傷

大量的動物實驗結果提示細胞治療或者生物材料治療脊髓損傷有效，但是，使用單一的治療方法有其局限性。比如：單純使用細胞治療不能在損傷部位起到支持作用及維持組織結構的穩定性；單純使用支架治療，無法進行脊髓損傷后局部死亡神經元的替代治療。因此，若能將兩種治療方法的優點結合起來，將可能對脊髓損傷起到更好的治療作用。到目前為止，大量的動物實驗證明了將生物材料聯合干細胞移植治療脊髓損傷，有明顯的治療作用。

Xiong等[26]將神經干細胞聯合聚乳酸支架移植入脊髓損傷大鼠損傷部位，發現移植后的神經干細胞生存時間延長，最終大鼠肢體功能有所恢復。Lu等[3]發現，將GFP標記的神經干細胞定植在包被有神經營養因子的纖維蛋白上，神經干細胞在體外能分化成神經元，而且神經元細胞之間有突觸形成。將神經干細胞及包被有神經生長因子的神經纖維蛋白移植到脊髓損傷模型后，能明顯促進動物脊髓損傷的恢復。Ballios等[27]利用將小鼠視網膜來源的干細胞及神經干細胞分別混合在由透明質酸和甲基纖維素組成的水凝膠移植到小鼠視網膜及顱內，發現透明質酸與甲基纖維素組成的水凝膠能明顯促進干細胞的生長，以及與周圍神經元的整合。除了使用神經干細胞移植治療脊髓損傷外，骨髓間充質干細胞(BM-MSC)聯合生物材料也被用于移植治療脊髓損傷。Kang等[28]將骨髓來源的MSC聯合多聚乳酸及聚乙醇酸生物支架治療脊髓全切模型，有明顯的治療作用。MSC聯合天然生物材料，如瓊脂、海藻酸用于移植治療脊髓損傷[18,29]，有比較明顯的治療作用。Raynald等[30]將人骨髓間充質干細胞-透明質酸-多聚賴氨酸(hyaluronic acid poly-L-lysine, HA-PLL)移植到脊髓半橫斷模型中，發現細胞聯合生物材料組較單純細胞移植組及單純材料移植組能更加明顯改善大鼠運動功能。在臨床上，栗昭生等[31]使用腰椎穿刺注入的方法移植臍血來源的神經干細胞治療脊髓損傷，取得良好的治療效果。

總之，脊髓損傷，特別是陳舊性脊髓損傷，目前的臨床治療效果并不令人滿意。隨著不斷更新的生物組織工程材料以及干細胞移植治療脊髓損傷的出現，必將會明顯改善脊髓損傷的治療效果。

參考文獻：