神經引導導管在周圍神經損傷修復中的應用

曹文瑞，魯手濤，劉黎明，袁坤山，張海軍，2（通信作者）

1 生物醫用材料改性技術國家地方聯合工程實驗室 （山東德州 251100） ；2 同濟大學醫學院介入血管研究所 （上海 200072）

周圍神經損傷具有很高的發病率，全球每年有超過500萬例周圍神經損傷（peripheral nerves injuries，PNI）新發病例[1]。急性創傷引起的PNI會導致患者的運動功能完全喪失和肌肉麻痹，上肢橈神經和下肢腓神經是最常受傷的神經[2]。周圍神經一般通過嘗試再生對損傷的神經進行修復，然而創傷性損傷導致的PNI修復仍然是一項艱巨的臨床挑戰。對于長間隙神經修復，自體神經移植仍然是最佳臨床選擇。在理想條件下，自體移植物修復周圍神經損傷的效果較好，因為其天然的物理結構可充當再生模板，并且其生化環境由施萬細胞和支持修復的神經生長因子組成[3]。但自體移植往往會導致供體神經部位功能喪失，并且需要多次侵入性手術，導致感染風險增加；另外，在需要大量供體組織的嚴重情況下，可用的自體移植物是有限[4]；同時，當移植物太厚并且血管再生無法到達移植物的中心時，或當移植物太大并且周圍的脈管系統不能向整個移植物提供足夠的營養和氧氣時，會導致神經功能修復不良[5]。為了滿足大間隙修復的臨床需求，解決自體神經移植的限制，基于組織工程的神經引導導管（nerve guidance channel， NGC）開始發展起來，該方法通過植入天然、合成或半合成生物材料的NGC來治療損傷。NGC主要是管狀構造，其可以是空心的或在其腔內填充其他生物材料支撐結構，NGC被設計用于橋接損傷部位并為周圍神經的再生提供物理模板。目前，由合成或天然聚合物制成的NGC已成為自體神經移植物的替代物，許多NGC已經成功地橋接周圍神經間隙并支持神經再生[4]。

1 NGC的分類

NGC是最有希望實現大間隙神經修復的治療方法，理想的NGC具有良好的生物相容性和降解性，允許營養物質進入導管保證細胞的生長，又可以及時排除代謝廢物。目前NGC的材料分為生物型材料和非生物型材料，生物型材料有肌肉、靜脈、羊膜等，均具有良好的生物相容性，但是生物材料存在缺血后管壁塌陷、再生不良、增生及粘連等問題；非生物型材料有硅膠、聚四氟乙烯管等，均具有良好的塑形性，不易塌陷，但非生物型材料不能被生物降解，容易發生異物反應及慢性神經壓迫等并發癥[6]。因此，理想的NGC材料應該將生物相容性和降解性完美的結合在一起。生物降解型材料有人工合成材料、膠原等。目前NGC材料已經趨于成熟，很多學者通過對NGC結構的改進和表面改性來提高NGC的有效性和安全性。

2 NGC結構的改進

目前具有改進結構組成的NGC方面取得了重大進展，改性的NGC具有良好的神經修復性能，科研人員在仿生設計、構架改造、表面改性方面做出了許多努力。

2.1 仿生化

仿生方法已成功用于管狀構建體的開發，主要原理是利用細胞外基質和其基底層的生物材料形成具有機械特性的形狀來模仿周圍神經[7-9]，這些生物材料來源于天然哺乳動物，例如來自牛腱或小牛皮的膠原蛋白、殼聚糖等[10]。

20世紀80年代，膠原蛋白作為NGC的生物材料開始用于治療神經損傷患者[11]。膠原蛋白是哺乳動物中發現的最豐富的蛋白質，在各種組織中細胞外基質的結構維持中起著重要作用，具有良好的生物降解性能和生物相容性，因此，膠原蛋白可用于模擬外周神經的結構組成，提供合適的支持構架，便于施萬細胞的遷移、軸突的再生和體內組織的形成。Deister等[12]研究了由層粘連蛋白、纖維連接蛋白、膠原蛋白和透明質酸制成的共凝膠培養背根神經節的神經突，結果顯示由天然聚合物（如膠原蛋白和層粘連蛋白）組成的水凝膠能夠促進周圍神經損傷的再生。Schuh等[13]研究了纖維蛋白和膠原蛋白的新型混合物是否可用于形成工程化神經組織，結果發現90%膠原蛋白和10%纖維蛋白混合物能夠增加施萬細胞活力，與具有更高和更低纖維蛋白含量的制劑相比，90%膠原蛋白混和10%纖維蛋白的混合物能夠促使體外神經突向外生長，在使用8 mm膠原蛋白-纖維蛋白導管的大鼠坐骨神經模型中的體內實驗顯示，修復后神經的遠端部分中的軸突計數顯著增強。因此，這種優化的膠原蛋白-纖維蛋白混合物提供了一種提高周圍神經損傷后再生能力的新方法。

殼聚糖具有優異的抗菌活性、生物力學、生物相容性、無毒性、生物降解性和非抗原性，已廣泛應用于組織工程和神經再生的各個領域[14]。然而，殼聚糖導管對神經再生的影響仍不如自體移植物好，因而難以滿足臨床要求。因此，改進殼聚糖導管以進一步適應NGC的性能是必要的。Li等[15]采用圓柱形聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）印章和自制模具，通過簡單的微模塑和凍干工藝共同制造具有微圖案內壁和無縫側壁的殼聚糖導管，所制備的具有微圖案內壁的殼聚糖導管可顯著促進大鼠10 mm間隙坐骨神經的再生。

2.2 3D拓撲結構

周圍神經系統主要由高度有序的軸突束組成，是具有管狀或棒狀形狀的3D結構，因此，修復周圍神經需要3D拓撲結構以便于于引導細胞定向生長[16]。

對NGC構架進行適當的改造，往往可以增強NGC的修復效果。最初由于技術限制，只允許在宏觀級別對NGC進行改造。Yao等[17]利用多通道膠原基管狀構建體修復大鼠坐骨神經缺損，研究顯示通道數量明顯影響修復成功率，膠原基管狀構建體對軸突再生具有很好的支持作用，同時還能夠恢復神經再支配。盡管與空心單腔導管相比，腔內引導通道形式的修改可以減少軸突分散，但宏觀腔體結構不能提供細胞特異性拓撲結構以引導施萬細胞遷移和軸突生長。

隨著更先進的制造技術的出現，NGC架構已經能在微觀尺度上進行改造。微尺度修飾具有通過增加施萬細胞遷移效率或軸突生長來增強細胞水平修復的能力。Lundborg等[18]將8根聚酰胺長絲（直徑250 μm）作為管腔填料置于硅膠管（內徑1.8 mm）內，用于橋接大鼠坐骨神經的損傷間隙（15 mm），結果發現含有8根聚酰胺縫線的硅膠管能夠跨越間隙后再生，顯示出小間隙修復特性。Ribeiro-Resende等[19]開發了具有縱向排列的微孔膠原基腔填充物的管狀構建體，在體內成功地修復了大鼠坐骨神經中的15 mm間隙，與中空管狀構建體相比具有更好的神經修復能力。

納米工程材料靈活性較好，使用納米工程材料在設計神經系統的再生導管時具有極大的吸引力。B é duer等[20]設計了PDMS的非細胞毒性的深度微表面結構，其具有各種寬度的微通道，研究表明尺寸等于或小于神經祖細胞胞體（≤20 μm）的表面圖案化會形成優異的細胞排列并且可以限制每個細胞的神經突數量，從而最大化神經突長度。Wieringa等[21]研究檢查了納米脊寬度（500～2 000 nm）對神經排列的影響，發現在這個長度范圍內，神經細胞對脊寬度相對不敏感，所有圖案化基底都能夠引導細胞與未對齊的基板對準。具有多個縱向通道和腔內地形的NGC用于橋接由創傷性損傷引起的神經缺損時效果顯著增強。Chang等[22]通過將螺旋NGC與內納米纖維和外納米纖維管組合，實現了神經再生的顯著改善，將其用于修復大鼠坐骨神經損傷，能夠明顯觀察到坐骨神經再生，這表明具有內部排列的納米纖維并用外部納米纖維管包裹的新型螺旋NGC為周圍神經再生提供了比標準管狀NGC更好的神經修復環境。該研究結果將有利于未來的NGC設計，以優化周圍神經再生的組織工程策略。此外，合適的蜂窩取向對于神經損傷修復也起著至關重要的[23-24]。Lee等[24]使用RGD-綴和的聚脲和聚己內酯的混合物，設計了類似于蜂窩結構的具有排列的納米纖維的腔內微通道組成的NGC，使用10 mm坐骨神經橫斷大鼠模型來評估在神經橫斷和導管植入后8周的導管的功效，結果顯示，與自體移植物相比，NGC的電生理活動的恢復得到顯著的改善。Chang等[25]通過將對齊的納米纖維和神經營養物質梯度結合到多通道支架中來開發結合這種拓撲和營養特性的人工NGC，結果表明，神經干細胞沿對齊的納米纖維結構擴展其神經突，細胞密度和神經突長度沿著神經營養梯度支架從低濃度區域到高濃度區域增加。

2.3 表面改性和修飾

層粘連蛋白和纖連蛋白是兩種基底層蛋白，由于其能夠與施萬細胞結合，故在外周神經的發育和修復中都具有至關重要的作用[26]。Cao等[27]將膠原支架與層粘連蛋白交聯以構建雙功能生物支架，然后將該支架填充在硅膠導管中并在大鼠坐骨神經橫斷模型中進行測試，結果表明，該功能性材料可以指導軸突生長，促進神經再生和功能恢復。Ding等[28]將納米銀嵌入具有軸向取向的微管（直徑20～80 μm）的膠原支架，在微觀的內表面均涂有層粘連蛋白或纖連蛋白，以驗證修復大鼠10 mm周圍神經缺損的有效性，研究表明該支架有助于軸突再生。de Luca等[29]將聚己內酯膜水解和氨解以改變具有不同官能團的表面并改善親水性，結果顯示水解薄膜可保持表面形貌的同時親水性也顯著增加，在氨解的情況下也觀察到聚己內酯膜的機械性能的顯著降低；此外，他們用施萬細胞進行體外實驗以評估膜生物相容性，短時間實驗表明，改性薄膜上的細胞附著情況得到改善，特別是當材料表面存在氨基時，細胞增殖顯著增加，這表明表面處理對于施萬細胞的生長是必需的，還證明細胞形態受物理化學表面性質的影響。聚己內酯可用于制造人造導管，并且內腔的化學改性提高了生物相容性。

絲素蛋白（silk fibroin，SF）是生物醫學領域中有前途的天然生物聚合物，具有良好的生物相容性、生物降解性和機械柔韌性。Wang等[30]將SF與（聚1-丙交酯 - 共-ε-己內酯） [Poly（1-lactide-co-epsilon-caprolactone），P（LLACL）]混合并制備SF/P（LLA-CL） NGC以構建大鼠的節段性神經，結果表明，將SF納入NGC可以獲得更好的神經恢復效果。Zhang等[31]通過交聯排列的SF纖維與具有再生功能SF溶液構建具有排列纖維取向的高強度SF支架，以引導神經元生長，通過SF纖維與再生SF溶液之間強烈的蛋白質-蛋白質界面結合，能夠增強機械性能，從而制備出高強度的支架，施萬細胞和背根神經節神經元可以隨著支架的均勻取向而遷移，將甲鈷胺加載到對齊的SF支架，激活蛋白激酶，通過甲基化循環促進神經突生長和神經元存活；此外，甲鈷胺負載的對齊SF支架顯示出良好的生物相容性，炎癥細胞也隨著時間延長而減少。

3 總結與展望

PNI患者逐年增加，患者生命質量受疾病影響嚴重。目前，自體移植物仍然是修復神經損傷的最佳選擇，為了滿足大間隙修復的臨床需求，解決自體移植物的限制，科研工作者將致力于NGC的研究并將其作為自體神經移植物的替代物。理想的NGC需要具有適當的機械強度和適當的柔韌性，它可以指導神經生長，能夠為神經再生提供良好的微環境、空間和營養物質等。構建與神經結構類似的仿生結構及模擬神經再生的微環境，構建出復合型NGC以支持更長距離神經缺損修復，將是以后發展方向。