一副3D打印的脊髓，或可讓癱瘓者重新行走

王晶

好萊塢電影《遇見你之前》的男主角原本是頂級商業收購專家和冒險運動達人，一次意外交通事故造成的脊髓嚴重損傷，使他頭部以下癱瘓，從此只能坐在輪椅上，得一次肺炎都會輕易要了他的性命。這讓他完全喪失了生的欲望，他嘗試過自殺，被救回后又選擇去瑞士實行安樂死，即使后來他愛上了照顧自己的女護工，都沒改變這一決定。

脊髓損傷類疾病會帶給人莫大的痛苦和絕望。

脊髓損傷是脊柱損傷最嚴重的并發癥，創傷（如車禍、跌倒）、疾病或退化（如關節炎、癌癥）都可能導致脊髓損傷。由于脊髓的完整性和連續性受到破壞，大腦和身體其他部位之間收發信號的細胞和神經受到損傷，患者受傷部位以下的感覺、運動、力量和身體功能會發生暫時或永久性變化，因此許多四肢癱瘓或截癱的患者可能要在輪椅上度過余生，而他們過早死亡的幾率也是無脊髓損傷者的2至5倍。

根據世界衛生組織公布的數據，全球每年約有25萬至50萬人遭遇脊髓損傷。以目前的醫療技術，尚無有效的治療方法可以逆轉脊髓損傷患者神經功能上的損害，針對這類疾病的預防、治療和康復仍然是醫學界的難題。

不過這種情況在不久的將來或許可以改變。今年2月初，以色列特拉維夫大學Sagol再生生物技術中心的實驗團隊在科學期刊《Advanced Materials》上公布了一項研究成果，他們利用人體細胞和材料人工合成了3D人體脊髓組織，并將其植入癱瘓的實驗小鼠。

這是全球首次從人類細胞中培育出脊髓組織并開展移植實驗，且取得了較好的結果：急性實驗模型（近期或短期癱瘓小鼠）的恢復成功率為100%，慢性實驗模型（長期癱瘓小鼠）恢復的成功率為80%。

脊髓損傷治療的難點在于神經的自我修復能力有限。脊髓損傷最初發生時，造成損傷的原發性外傷會導致細胞死亡、血液屏障破壞和細胞外基質（ECM，一種影響細胞代謝、增殖和分化等功能，為細胞生存和活動提供場所的大分子網絡，包括膠原蛋白和糖等物質）降解。

這個過程可能會引起繼發性損傷反應，即導致一些組織的損傷并形成膠質瘢痕。受損部位周圍的健康神經組織有促進組織修復的可能性，但由于瘢痕中缺乏允許細胞生長的微環境，細胞內在的再生潛力較差，所以一旦神經組織損傷被瘢痕替代，神經元就失去了再生和重新連接的機會，可能形成永久性的神經功能障礙。

目前，針對脊髓損傷治療的代表性研究方向有神經保護、修復和再生、細胞療法和輔助技術。這些研究的思路或試圖減少進一步脊髓損害的發生，或促進脊髓內部神經元再生和訓練患者中樞神經系統。其中，以細胞為基礎的治療，可以利用細胞的自我復制能力，根據細胞類型和狀態等替換受損細胞，成為治療脊髓損傷的一種代表性策略。

針對脊髓損傷的細胞治療方式有多種，這些被植入的細胞通常來源于同種異體細胞、自體原代細胞或異種細胞。

從同種異體或異種的供體中分離部分細胞會受到供體年齡、遺傳、供體不足等因素的影響，而且需要依賴患者的免疫反應來實現移植的長期效果。此外，這種方法還面臨免疫排斥反應導致的未能成功分離細胞和植入等問題。

為了克服排斥的風險，自體原代細胞成為一種選擇，它來源于患者自身，免疫反應小，不過由于需要在移植前對患者施行手術獲取和體外擴增，成本通常較高，且從自體中樞神經系統組織獲取細胞，也可能存在分離和體外分化增殖難度大的問題。

特拉維夫大學的最新研究采用了誘導多能干細胞（iPSC），它利用了基因編輯技術，也是從患者自體獲得，但不局限于中樞神經系統組織，而是允許從其他組織中獲取，這種體細胞可以被編程為多能細胞，然后分化為患者所需的細胞譜 系。

“我們這項技術是針對患者的特殊治療，這種治療的理念是完全自體的，使用的細胞和材料來源都是患者自己的組織，因此可以最大限度地降低排斥反應的風險。”Sagol再生生物技術中心研究人員、研究論文的第一作者Lior Wertheim對《第一財經》雜志表示。

他們首先從患者腹部脂肪組織中獲取活檢組織，這一組織由細胞和細胞外基質組成。研究人員將細胞從細胞外基質中分離出來后，使用基因工程對細胞重新編程，從而使細胞恢復到一種類似于胚胎干細胞的狀態，這種細胞能夠“變成”人體的任何細胞（iPSCs），也就是讓其達到一種較全能狀態。

隨后，研究者將iPSCs封裝于水凝膠（親水的高分子聚合物）中，在3D許可的微生物環境下實行有效分化，由此模仿脊髓組織的胚胎發育，這個過程為期30天，iPSCs就能成功轉化為包含脊髓運動神經元網絡的3D植入物。

理論上，從患者體內提取網膜組織細胞（人類器官外部的一層“保護膜”），并將該細胞和細胞外基質分離，就可加工成水凝膠。但由于人類網膜可用性的限制，這次實驗采用的是基于豬網膜的水凝膠。據Sagol再生生物技術中心負責人、這項研究的領導者Tal Dvir教授介紹，現階段已經具備生產基于人類網膜的水凝膠的能力，不久就會采用它開展實驗。

實驗中所有的小鼠，接受了來自三個人的脊髓細胞植入物。對于小鼠來說，癱瘓6周相當于人類癱瘓了6個月至1年。而將長期癱瘓小鼠納入，也是這次實驗的一大突破。

以往與干細胞相關的研究更多局限于短期癱瘓的研究—短期模型通常更容易使用，但因為不聚焦于長期的永久性損傷機制，因而也無法為更多患者提供有效的治療方案。“長期癱患者損傷部位的膠質瘢痕已經完全發育，手術也會更加復雜，而且患者癱瘓時間更長，也可能導致組織變性，需要較長恢復時間，所以長期模型能更好地代表治療可應用的時間框架。”Wertheim 說。

據他介紹，雖然這次實驗還未發現讓小鼠恢復的確切細胞機制，但在小鼠接受移植之后，從星形膠質細胞和小膠質細胞損傷網絡的低表達上，可以看到明顯的炎癥減少，組織內部形成了一個更有利的環境，神經元的數量也明顯增加。“這些表現最終轉化為了小鼠更高的行為功能恢復水平。”

由于置入小鼠體內的植入物來自于人類細胞，這也意味著，在之后人類的臨床實驗準備中，研究者不必重新回到起點。“這種治療最終是針對人類的，開發利用人類細胞的治療更有意義。使用人類的細胞消除了小鼠的異種免疫反應，之后實行人類自體移植的潛力也將更大。”Wertheim表示，

隨著外骨骼機器人的發展，如今已有針對癱瘓病人的外骨骼輔助機器人，通過傳感器檢測用戶意圖，再帶動患肢運動，開展輔助訓練，其主要作用是帶著患者先動起來，以刺激神經可塑性等方式開始康復進程。

外骨骼機器人還可以繼續幫助病患約束訓練，用設定好的程序帶動病患做出指定動作，逐漸加大動作幅度和每次訓練時長。在病患恢復到一定程度后，外骨骼機器人就可以進一步輔助抵抗訓練，對其運動施加反方向的阻力來鍛煉患肢力量。

然而，這并不意味著病患最終可以徹底擺脫外骨骼機器人正常生活，采用這種方式目前最理想的結果，仍是病患在機器人的輔助下行動，而非徹底恢復到癱瘓前的生活狀態。

Tal Dvir團隊的最終目標則是幫助脊髓損傷患者重新站立甚至恢復行走的能力。

2019年，Dvir和同伴聯合創立了一家名為Matricelf的公司，負責這項研究的進一步實驗和后續可能的商業化。目前，基于iPSC的相關療法還未達到生物制品許可申請（BLA）提交市場批準的商業階段。“公司現處于臨床前的實驗階段，有希望在2至3年內進入臨床實驗階段。”Dvir對《第一財經》雜志說。

Dvir的團隊對這項技術未來的應用前景很樂觀，盡管現在相關研究都還處于初級階段，但他們認為還有更多的可能性可以探索，這項技術將不僅適用于脊髓損傷，也有望用于帕金森病、腦外傷和心肌梗塞等疾病。

電影《遇見你之前》中，男主最后寫給女主的訣別信里有這樣一句話：“知道自己還擁有機會其實是一種奢侈。”而3D脊髓打印這類前沿研究，努力的方向正是讓“奢侈”成為“日常”。

對于人類來說，不僅是脊髓，許多器官和組織的再生都是一個難題，干細胞在組織再生中起到了重要作用，也成為眾多科學家探索人體組織再生的落腳點。細胞治療和基因工程、生物材料，以及人工智能等技術的結合，也將賦予組織再生更多可能性。