用于脊髓損傷修復的細胞外基質水凝膠材料的研究進展*

馮浩 ，趙毓杰

（1.來賓市人民醫院 骨科，廣西 來賓 546199；2.福建醫科大學附屬協和醫院 骨科，福建 福州 350001）

1 脊髓損傷

脊髓損傷（spinal cord injury,SCI）是一種使中樞神經系統（central nervous system,CNS）衰弱的全身性疾病，是最嚴重的創傷性疾病之一。每年影響成千上萬的人，其中大多數是年輕人［1］。它會導致運動和感覺功能的逐漸喪失，對患者的健康構成威脅，嚴重影響患者的預期壽命。長期的治療、護理費用和經濟損失可能會影響患者及其家人，造成社會負擔加重［2］。然而，到目前為止，仍未開發出有效的脊髓損傷治療方法。隨著生物材料在醫學上應用的不斷深入，許多研究表明生物材料具有修復脊髓損傷的潛力。水凝膠作為一種新型生物材料，由于其親水性和生物相容性，在神經系統中有很好的應用前景［3］。

1.1 脊髓損傷的病理機制

脊髓作為中樞神經系統的組成部分之一，在生命活動的調節中起著關鍵作用。因此，當脊髓損傷發生時，可引起復雜的病理生理變化，影響神經、血管和免疫系統，導致運動和感覺功能喪失、呼吸節律喪失、腸道調節功能障礙，甚至導致永久性殘疾。中央脊髓在挫傷、壓迫或創傷性事故后會發生復雜的病理變化［1］。脊髓壓迫是脊髓損傷最常見的形式，在損傷后仍然存在［2］。它可以導致椎管血腫。脊髓損傷以神經元和神經膠質膜的機械性損傷、微血管破壞、離子調節異常、細胞凋亡信號轉導為特征，常導致繼發性損傷級聯反應，包括炎癥細胞激活、神經元和膠質細胞凋亡、膠原纖維酸性蛋白表達、軸索損傷和膠質瘢痕形成［4-6］。繼發性損傷可將損傷范圍擴大到遠離損傷中心的部位，加重脊髓損傷。此外，脊髓損傷通常由巨噬細胞、中性粒細胞、T細胞和一系列促炎因子誘導的廣泛的炎癥反應，可導致病變生長和組織損傷。每種模型的炎癥滲透程度略有不同，這阻礙了組織再生。脊髓損傷造成的功能喪失往往是持久的，因為受損神經元和彌漫性損傷部位的再生能力有限［7］。

1.2 脊髓損傷的治療

目前，治療脊髓損傷的主要策略有兩種。第一種策略是通過早期臨床減壓或在損傷急性期消除繼發性炎癥來保護剩余軸突和神經元免受繼發性損傷，但治療效果有限、預后差。第二種策略是基于細胞的治療，以促進慢性損傷期神經組織的修復和再生，包括手術治療、干細胞移植、高壓氧治療和中醫針灸理療等。因此，治療脊髓損傷的關鍵是抗炎、修復受損的脊髓組織及促進再生。其抗炎作用可通過清除炎癥細胞和抑制促炎因子的表達來實現。通過抑制膠質瘢痕的形成，促進受損神經元的修復和新神經元的形成，可以實現對受損脊髓組織的修復。軸突生長和再生可促進脊髓再生。在此背景下，新的治療策略包括可注射水凝膠治療、組織工程和基于水凝膠支架的聯合治療，其重點是通過生物材料支架將特定的生長神經營養因子、干細胞和抗炎劑輸送到脊髓損傷的特定損傷部位［8］。

2 細胞外基質

細胞外基質（extracellular matrix,ECM）是由細胞合成后分泌到胞外大分子結構網絡，在維持全身每個器官系統的組織內穩態方面起著關鍵作用。在組織駐留細胞和它們周圍的細胞外基質之間存在著一種動態的相互作用，這最終決定了組織的特異性、表型和功能。因此，中樞神經系統和外周神經系統的細胞外基質都需要各自獨特的結構和功能特征，使它們能夠適應宿主細胞的職責。

細胞外基質約占中樞神經系統組織體積的20%，主要由透明質酸、硫酸軟骨素蛋白多糖和肌腱蛋白多糖組成。此外，細胞外基質分子，如硫酸乙酰肝素蛋白多糖、層粘連蛋白、膠原蛋白和纖維連接蛋白結合在一起，形成基底膜，加強血腦屏障（blood-brain barrier,BBB）。不規則的細胞外基質沉積和組成導致損傷相關分子模式（damage-associated molecular patterns,DAMP）的存在，這可能引發不可預測的炎癥反應［9］。

2.1 脫細胞細胞外基質

細胞外基質含有層粘連蛋白和蛋白多糖，它們是運動神經元生存和生長所必需的。由于去除了同種/異種細胞抗原，支架的免疫原性大大降低。細胞外基質通常被用作藥物、干細胞和營養因子的載體，以促進損傷部位的神經再生，并廣泛應用于組織工程和再生醫學。從不同組織中提取的脫細胞細胞外基質凝膠可通過微環境調控促進人骨髓間充質干細胞的分化。有報道將脫細胞腦細胞外基質凝膠用于促進人誘導的多能干細胞向神經元分化［10］。

2.2 脊髓脫細胞細胞外基質

脫細胞細胞外基質是一種來源于組織的生物支架，其細胞成分已被去除，但保留了結構成分和細胞外基質蛋白。由于去除了同種/異種細胞抗原，脫細胞細胞外基質植入后對宿主的免疫原性顯著降低。通過酶消化、pH中和離子平衡，脫細胞的脊髓細胞外基質可以轉變為脫細胞的脊髓細胞外基質凝膠，具有可注射性、能夠填充不規則形狀的間隙等優點。脫細胞細胞外基質作為一種具有細胞吸引力的基質，可用于三維培養，促進干細胞的增殖和分化。但脫細胞細胞外基質不穩定，僅通過調節pH、鹽離子濃度和溫度不能明顯改善脫細胞細胞外基質。有研究發現，脫細胞細胞外基質在促進脊髓損傷大鼠功能恢復方面的優勢總是在治療后4～8周內消失，這可能與其快速降解有關。因此，脫細胞細胞外基質應與其他生物活性材料聯合使用，以提高其力學性能［10］。

3 水凝膠

水凝膠是一種具有水分子和親水性聚合物網絡的高度水合材料。它們已經成為最引人注目的生物材料之一，其固有的生物相容性、細胞相互作用、親水性、滲透性和生物降解性使其成為模擬自然分子微環境的合適基質［11］。水凝膠通常由天然或合成材料制成。一般來說，水凝膠包括可注射水凝膠和非可注射水凝膠。可注射水凝膠是液體，可以很容易地輸送到受傷的組織。重要的是，可注射水凝膠的配方具有與脊髓細胞外基質非常匹配的機械性能，這可能會促進軸突生長［12］。

3.1 天然材料與合成材料

天然聚合物，即生物聚合物，是有優勢的，因為許多聚合物含有細胞黏附的固有氨基酸基序，很容易被人體降解［13］。由生物聚合物制成的凝膠非常接近天然ECM的形態和力學性能，有利于神經元和軸突的生長。這些材料由蛋白質和/或糖胺聚糖組成，可以形成高水分的3D納米纖維網絡，允許細胞遷移和營養物質和廢物在材料中擴散。它們很容易獲得，可能由脊髓ECM中自然存在的材料組成。天然材料的凝膠已被廣泛用于體外和體內培養和研究中樞神經系統細胞的行為［14］。天然材料的缺點包括疾病傳播的風險和激發免疫反應的能力，如果不對促炎抗原進行治療，其力學性能、粘接部位和降解率之間難以解耦。此外，天然支架的降解率可能很難控制，因為酶水平因物種、個體和注射位置的不同而不同。

合成材料可以定制，具有特定的生物活性序列和降解機制。合成材料不受批次到批次來源變化的影響，具有更可控的最終性能。合成材料的缺點包括材料和降解產物的生物相容性，以及整合素缺乏黏附部位。合成材料目前也無法概括天然細胞外基質材料中存在的組織和生物活性基元的復雜性。

3.2 原位物理凝膠

由合成或天然聚合物形成的物理凝膠可以在環境條件（如溫度、離子濃度或pH）或其他條件（如混合兩種組分）發生變化時從液體轉變為凝膠。物理凝膠對于可注射材料很有吸引力，因為凝膠反應溫和，在沒有添加交聯劑的情況下從水溶液中發生，這可能會由于未反應的單體、引發劑或放熱反應而導致注射部位的額外損害。該系統與細胞和敏感的治療劑兼容，反應速度可以調整為在注射到體內后迅速發生。雖然最初的反應能夠將材料限制在注射位置，但在某些系統中，材料的完全固化可能需要長達一個小時。物理凝膠通常很弱，模數在幾十到數百帕斯卡的數量級，與脊髓的機械性能相當，最適合促進神經元生長和阻止疤痕形成［14］。

3.3 原位化學凝膠

化學交聯劑使原本較弱的材料具有機械完整性和耐降解性。它可以通過各種機制發生，但主要涉及共價鍵，它利用一個反應性部分，該部分可以連接到預聚體上，或者以小分子/酶的形式添加，以產生自由基，在相鄰的聚合物鏈之間形成共價鍵［14］。與預制支架不同，可注射凝膠中包含的交聯劑在植入前不能被洗脫或淬滅，因此所有反應物在使用的濃度下都必須是無細胞毒性的。

3.4 甲基丙烯酰明膠

明膠甲基丙烯酰水凝膠（gelatin methylacrylyl hydrogel,GelMA）是一種由天然細胞外基質加工而成的多孔性、親水性和光敏性的水凝膠［15］。通過改變GelMA的濃度、交聯劑和光照時間，可以改變其力學性能，從而模擬脊髓的力學性能。研究人員發現，GelMA水凝膠不僅能減輕炎癥，而且能促進軸突再生和神經元發育，抑制神經膠質瘢痕的形成［16］。已有報道，用GelMA水凝膠構建的仿生支架，促進了內源性神經干細胞的遷移和向神經細胞的分化，促進了血管生成，抑制了損傷脊髓神經膠質瘢痕的形成。然而，單獨使用GelMA治療脊髓損傷存在缺陷，特別是在改善損傷部位的微環境和限制生物活性方面［17］。綜合優缺點，可將DSCG 與GelMA水凝膠混合，開發一種三維復合支架。這種復合支架提高了DSCG的機械強度，彌補了GelMA水凝膠生物活性的不足。同時提高了該復合支架的力學性能和生物相容性。

4 水凝膠綜合治療

由于脊髓損傷復雜的病理生理機制，目前尚無有效的治療方法。這種復雜性表明，多種治療方法可能比單一治療方法更有效。目前，基于水凝膠的組織工程策略包括支架、光療、細胞、小分子和玻璃纖維等，為脊髓損傷的治療提供了廣闊的前景。水凝膠具有類似于細胞外基質的三維網絡結構和微環境，可以促進細胞生長并嵌入生物大分子維持釋放。

4.1 水凝膠負載

近年來，水凝膠負載能夠在微環境中指示特定的細胞反應，促進軸突的萌發和再生，調節受損神經元的活性和阻斷抑制分子，因此可以應用于脊髓損傷的治療。然而，水凝膠負載存在半衰期短、穩定性低、血脊髓屏障（blood-spinal cord barrier,BSCB）通透性差等缺點，難以維持長期的活性［18］。為了解決這一問題，可以將GFS固定在具有良好生物相容性和生物力學性能的水凝膠上，并將其注入囊腔中，以再生良好的微環境，促進受損組織的修復。最適合裝載水凝膠負載的水凝膠應該是一種可以作為輸送系統并最大限度地發揮其改善脊髓損傷的潛力的水凝膠。

4.2 水凝膠負載小分子

到目前為止，許多藥物已經用于脊髓損傷的治療。然而，由于血脊髓屏障的特殊結構、血腦屏障和首過效應，向中樞神經系統輸送治療藥物是一個挑戰［8］。此外，由于腦脊液的快速清除，藥物可以快速清除更新，這需要更高的劑量/頻率。因此，延長藥物在脊髓損傷部位的釋放是很重要的。在中樞神經系統疾病的治療中，水凝膠為組織再生提供支持底物，并在局部作為緩釋藥庫，可以減少給藥頻率和總劑量，從而減少副作用，提高患者的依從性。

4.3 水凝膠負載干細胞

近年來，基于細胞的治療策略在脊髓損傷的治療中取得了良好的效果。干細胞和水凝膠支架的植入是一種很有前途的脊髓損傷修復方法。然而，在細胞治療方法中存在許多挑戰，如遷移到靶點、附著到干細胞表面和細胞在腦脊液中存活［19］?？朔@些缺陷的一種策略是植入干細胞和水凝膠支架，這種支架可以通過釋放神經保護因子來促進組織再生。

4.4 水凝膠結合光療

水凝膠可以很好地模擬細胞外基質的微環境。光療作為一種很有前途的策略可以進一步促進水凝膠模擬細胞外基質的動態和復雜性質，因為它具有提供劑量控制的性質［20］，水凝膠與光療相結合治療脊髓損傷更為有效。例如目前應用的光交聯明膠3D水凝膠系統具有良好的生物相容性和生物降解性，可以模擬脊髓內細胞外基質的微環境，抑制炎癥因子。然而，由于缺乏靶向性，它只能在損傷部位發揮作用。此外，該系統需要光激活。

5 結語

脊髓損傷是一種嚴重的中樞神經系統創傷性疾病，它會對患者的生活方式產生很大的影響，對患者的生理和心理方面造成一定的壓力。水凝膠作為一種生物材料的引入，為脊髓損傷后誘導再生的治療開辟了新的途徑。水凝膠是一種含有水分子和親水性聚合物網絡的高度水化材料，具有與神經組織相似的特殊性。它們有能力填充囊腔，促進軸突生長和細胞分化［21］。

水凝膠支架作為一種優良的多功能平臺，可以進一步與其他治療物質結合，如營養因子、小分子和各種干細胞。它們可以保護分子或細胞免受酶降解或不良免疫反應的影響，并增加移植細胞的潛在作用［21］。水凝膠具有良好的生物相容性和生物降解性，被認為是脊髓損傷后修復的橋梁。它們可以很好地模擬脊髓微環境的細胞外基質。因此，水凝膠在治療脊髓損傷方面具有較好的應用前景。

脊髓損傷的有效治療策略必須結合多種因素，以協調的方式解決每一個挑戰，因為SCI具有復雜的病理生理機制，如干細胞、抗炎藥物和生長因子，所有這些都需要水凝膠作為支架才能進入損傷部位。然而，水凝膠由于其自身的特點，形狀不穩定，容易流出脊髓損傷部位，影響治療效果。因此，有必要進一步優化水凝膠的結構，如添加纖維或制備復合水凝膠來提高水凝膠的強度。此外，目前的研究大多是在脊髓損傷模型上進行的，但尚不清楚是否會在臨床上看到同樣的效果。