漆國(guó)棟,江瓊,伍亞民,漆偉
1.重慶市中醫(yī)骨科醫(yī)院骨科,重慶市 400010;2.重慶醫(yī)科大學(xué)中醫(yī)藥防治代謝性疾病重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶市 400016;3.陸軍軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所,創(chuàng)傷燒傷與復(fù)合傷國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶市400042
脊髓損傷是一種具有較高致殘率的中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病,嚴(yán)重影響患者身心健康,在全球范圍內(nèi)皆具流行性[1]。脊髓原發(fā)性損傷造成的微血管出血、組織缺血及神經(jīng)元損傷與初始破壞性撞擊有關(guān),這種損傷是不可逆的[2]。繼發(fā)性損傷在隨后數(shù)分鐘到數(shù)天內(nèi)逐漸形成,會(huì)引起炎性因子大量釋放[3]、微環(huán)境的各種級(jí)聯(lián)放大反應(yīng)[4]、氧化應(yīng)激反應(yīng)[5]等,這些都會(huì)最終導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞凋亡,從而阻止神經(jīng)再生的可能。
組織工程技術(shù)在再生醫(yī)學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用,可以用來(lái)替代、恢復(fù)或增強(qiáng)組織功能[6]。在脊髓損傷領(lǐng)域,脊髓組織工程通過(guò)種子細(xì)胞與生物支架可以構(gòu)建一個(gè)模擬天然脊髓外基質(zhì)的微環(huán)境,能夠促進(jìn)特定的細(xì)胞-基質(zhì)相互作用,誘導(dǎo)細(xì)胞行為,促進(jìn)宿主脊髓再生[7]。近期有研究對(duì)脊髓組織工程的臨床應(yīng)用安全性和可行性進(jìn)行評(píng)估,這些研究都通過(guò)磁共振結(jié)果、神經(jīng)電生理學(xué)和神經(jīng)功能評(píng)分等方法展示了患者功能恢復(fù)證據(jù)[8-9]。由于都是小樣本量臨床研究,缺乏權(quán)威證據(jù)證明其臨床可推廣性,脊髓組織工程目前仍停留在實(shí)驗(yàn)研究階段以解決不斷存在的問(wèn)題。本文以脊髓組織工程中的種子細(xì)胞和生物支架存在問(wèn)題為切入點(diǎn),對(duì)近期實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。
本研究采用主題檢索方法,檢索中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方、PubMed、Web of Science 建庫(kù)至2021 年3 月公開(kāi)發(fā)表的中英文文獻(xiàn)。中文檢索策略:脊髓損傷AND(種子細(xì)胞OR 生物支架OR 組織工程)。英文檢索策略:spinal cord injury AND (seed cell OR biological scaffold OR tissue engineering)。同時(shí)查詢所有納入文獻(xiàn)的參考文獻(xiàn),避免遺漏。
納入標(biāo)準(zhǔn):①涉及種子細(xì)胞在脊髓損傷中的選擇和應(yīng)用;②討論生物支架在脊髓損傷中的傳統(tǒng)用法和改良;③涵蓋各類種子細(xì)胞和生物支架復(fù)合模式的脊髓組織工程研究;④同領(lǐng)域選擇近5 年在權(quán)威雜志上發(fā)表的文章;⑤具有原創(chuàng)性,且文章結(jié)果可靠。
排除標(biāo)準(zhǔn):①未出版的論文(包括學(xué)位論文、會(huì)議論文等);②不能獲取全文;③與主題無(wú)關(guān)。
由熟悉脊髓損傷的神經(jīng)再生治療并了解脊髓組織工程的研究人員進(jìn)行文獻(xiàn)篩選和分析,初檢得到文獻(xiàn)2386 篇,篩選后納入85 篇,其中英文82 篇,中文3篇。篩選流程圖見(jiàn)圖1。
圖1 文獻(xiàn)篩選流程圖
共納入文獻(xiàn)85 篇,主要來(lái)自美國(guó)、中國(guó)和英國(guó)等,期刊主要來(lái)源于Biomaterials、Mater Sci Eng C Mater Biol Appl和ACS Appl Mater Interfaces等。文 獻(xiàn)[1-9]闡述了脊髓組織工程應(yīng)用于脊髓損傷后神經(jīng)再生的可行性與對(duì)抗病理過(guò)程所需面臨的挑戰(zhàn);文獻(xiàn)[10-25]介紹了脊髓組織工程中種子細(xì)胞的選擇;文獻(xiàn)[26-43]探討了種子細(xì)胞存在的問(wèn)題與近期解決方案;文獻(xiàn)[44-51]介紹了脊髓組織工程中生物支架的特點(diǎn)及傳統(tǒng)選擇;文獻(xiàn)[52-63]探討了生物支架存在的問(wèn)題與近期解決方案;文獻(xiàn)[64-85]探討了種子細(xì)胞與生物支架復(fù)合構(gòu)建脊髓組織工程的問(wèn)題及近期不同復(fù)合模式嘗試。
脊髓組織工程選用的種子細(xì)胞可以參照臨床細(xì)胞療法。Levi 等[10]評(píng)估了人神經(jīng)干細(xì)胞移植治療慢性脊髓損傷效果;最新一項(xiàng)納入37個(gè)細(xì)胞試驗(yàn)的系統(tǒng)評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)[11],絕大多數(shù)臨床研究使用的細(xì)胞種類是干細(xì)胞,其次是以嗅鞘細(xì)胞、施萬(wàn)細(xì)胞為代表的周圍神經(jīng)細(xì)胞。本文回顧列舉一些代表性干細(xì)胞和周圍神經(jīng)細(xì)胞在治療脊髓損傷時(shí)的作用機(jī)制(表1)[12-25],發(fā)現(xiàn)種子細(xì)胞種類中干細(xì)胞選擇多且作用機(jī)制廣泛。因此本文首先探討干細(xì)胞作為種子細(xì)胞的問(wèn)題及進(jìn)展。
表1 種子細(xì)胞中的干細(xì)胞和周圍神經(jīng)細(xì)胞列舉
傳統(tǒng)研究認(rèn)為,干細(xì)胞作為種子細(xì)胞的問(wèn)題可歸納為潛在的致癌性、免疫排斥反應(yīng)和倫理道德。
致癌性方面,干細(xì)胞的DNA 修復(fù)活性、基因不穩(wěn)定、缺乏自我限制等特性與癌細(xì)胞相似,不完全分化的神經(jīng)細(xì)胞會(huì)增加形成畸胎瘤的可能性[26]。為了降低腫瘤的潛在風(fēng)險(xiǎn),通過(guò)移植前的體外細(xì)胞處理,干細(xì)胞可以通過(guò)默認(rèn)路徑分化為神經(jīng)祖細(xì)胞[27]。而最新的研究嘗試對(duì)神經(jīng)干細(xì)胞進(jìn)行光遺傳學(xué)刺激,通過(guò)低輻照度光刺激敷衍系統(tǒng)可降低其致癌性[28]。
免疫排斥方面,同種異體移植可能表達(dá)主要的組織相容性抗原導(dǎo)致免疫排斥反應(yīng)。既往研究認(rèn)為臨床細(xì)胞移植應(yīng)與地塞米松等免疫抑制劑聯(lián)合應(yīng)用[29]。而近年一些低免疫原性的細(xì)胞被認(rèn)為可以加以利用。有學(xué)者通過(guò)可視化分析研究認(rèn)為間充質(zhì)干細(xì)胞的異種移植是可行的[30],后續(xù)的機(jī)理研究揭示其低免疫原性的原因可能與在受體內(nèi)可表達(dá)免疫細(xì)胞樣特征有關(guān)[31]。
倫理道德方面,人類胚胎在道德上等同于成人,為科學(xué)研究創(chuàng)造人類胚胎是不可接受的。Yamanaka等[32]首次利用病毒載體將四種轉(zhuǎn)錄因子導(dǎo)入小鼠成纖維細(xì)胞獲得誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞,作為任意來(lái)源的萬(wàn)能細(xì)胞,可以不需要用人類胚胎的成體細(xì)胞制造。一項(xiàng)循證研究也證實(shí),誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞能移植后可有效改善脊髓損傷大鼠模型的運(yùn)動(dòng)功能[33]。近期已有臨床研究通過(guò)倫理審核,將首次嘗試誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞干預(yù)亞急性脊髓損傷患者[34]。
此外,無(wú)論是干細(xì)胞還是周圍神經(jīng)細(xì)胞作為種子細(xì)胞,其最核心的問(wèn)題是細(xì)胞移植后的低存活率和分化率,這也是近年來(lái)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)研究最集中的熱點(diǎn),而相應(yīng)的基因轉(zhuǎn)染技術(shù)、多細(xì)胞共移植和移植前預(yù)處理成為實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展。
首先,基因轉(zhuǎn)染技術(shù)可以將特異性核酸導(dǎo)入細(xì)胞并維持其生物學(xué)功能,從多方面有利于細(xì)胞的生存和分化。Tang 等[35]通過(guò)基因轉(zhuǎn)染的方法將脂肪干細(xì)胞過(guò)表達(dá)神經(jīng)元素2(neurogenin2,Ngn2),與單純脂肪干細(xì)胞移植組相比,Ngn2 過(guò)表達(dá)組神經(jīng)元分化率更高,能上調(diào)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子等營(yíng)養(yǎng)因子,抑制膠質(zhì)瘢痕形成。Shi 等[36]建立穩(wěn)定的過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶2型(transglutaminase type 2,TG2)基因的間充質(zhì)干細(xì)胞系,結(jié)果表明可以促進(jìn)更高的神經(jīng)元分化率,并促進(jìn)神經(jīng)功能的恢復(fù)。過(guò)表達(dá)胰島素樣生長(zhǎng)因子1 (insulin-like growth factor 1,IGF-1)基因的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植到小鼠脊髓挫傷模型后,相較于野生型更能提升細(xì)胞存活率、免疫調(diào)節(jié)、髓鞘形成和功能改善[37]。
其次,多細(xì)胞共移植可以相互彌補(bǔ)細(xì)胞之間的缺陷。施萬(wàn)細(xì)胞移植由于無(wú)法遷移到脊髓遠(yuǎn)端,無(wú)法修復(fù)脊髓外受損區(qū)域,有研究試圖將善于遷移的嗅鞘細(xì)胞與之聯(lián)合,結(jié)果表明聯(lián)合移植組在損傷區(qū)的分布范圍更廣,促進(jìn)巨噬細(xì)胞表型從M(γ 干擾素)向M(白細(xì)胞介素4)轉(zhuǎn)化,并提供較好的免疫環(huán)境和減少損傷部位的炎癥浸潤(rùn),調(diào)節(jié)炎癥細(xì)胞因子和趨化因子的表達(dá)[38]。基于間充質(zhì)干細(xì)胞可能會(huì)降低神經(jīng)干細(xì)胞移植后成瘤性風(fēng)險(xiǎn)的觀點(diǎn),Sun 等[39]嘗試人類臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞和人類神經(jīng)干細(xì)胞共移植治療大鼠脊髓挫傷,結(jié)果表明共移植組無(wú)論是移植細(xì)胞存活率還是功能改善都顯著高于單細(xì)胞移植組。脂肪干細(xì)胞具備良好的分泌體再生性,而嗅鞘細(xì)胞具備很好的遷移引導(dǎo)性,有研究發(fā)現(xiàn)將二者進(jìn)行聯(lián)合移植可以減少病變部位的炎癥反應(yīng)與星形膠質(zhì)細(xì)胞增生[40]。
最后,一些移植前預(yù)處理方法也可以提高細(xì)胞的存活率和分化率。Zhilai 等[41]在移植人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞前先經(jīng)過(guò)5%低氧濃度培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)該方法可以增加軸突保存,并使caspase-3+細(xì)胞和ED-1+巨噬細(xì)胞數(shù)量減少。Song等[42]觀察依達(dá)拉奉聯(lián)合神經(jīng)干細(xì)胞移植對(duì)大鼠脊髓全橫斷損傷修復(fù)的影響,發(fā)現(xiàn)依達(dá)拉奉可促進(jìn)損傷區(qū)神經(jīng)干細(xì)胞的存活和分化,聯(lián)合移植可提高大鼠脊髓損傷修復(fù)的效果。本研究團(tuán)隊(duì)研究表明[43],中藥單體黃芪總皂甙能促進(jìn)體外培養(yǎng)神經(jīng)干細(xì)胞向神經(jīng)元方向分化,與激活Wnt信號(hào)通路,從而調(diào)控該通路下游促分化靶向蛋白Ngn1的表達(dá)。
作為脊髓組織工程的生物支架,其基本要求可以概括為以下四點(diǎn)[44-45]。第一,具有良好的生物相容性和生物降解性。降解時(shí)間與神經(jīng)再生的病理階段有關(guān),支架可以與周圍組織結(jié)合,支持神經(jīng)再生和成熟。第二,立體結(jié)構(gòu),高比表面積。它應(yīng)該具有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能,如強(qiáng)度、硬度、彈性和長(zhǎng)度,這有利于表面材料的交換和細(xì)胞的黏附和生長(zhǎng)。第三,足夠的神經(jīng)生長(zhǎng)因子,以保證神經(jīng)再生的營(yíng)養(yǎng)。第四,原料來(lái)源廣,生產(chǎn)方便。
本文回顧列舉了一些傳統(tǒng)生物支架在脊髓損傷中的實(shí)驗(yàn)研究(表2)[46-51]。通過(guò)這些研究可以發(fā)現(xiàn)生物支架的問(wèn)題在于單一材料選擇無(wú)法同時(shí)滿足生物相容性、生物降解和力學(xué)性能等特點(diǎn),而傳統(tǒng)工藝也無(wú)法更好模擬內(nèi)部結(jié)構(gòu)精密的脊髓組織。因此,生物支架的進(jìn)展在于材料和工藝的新選擇。
表2 傳統(tǒng)生物支架實(shí)驗(yàn)研究列舉
材料選擇方面,兩種復(fù)合材料的支架逐漸成為新選擇。膠原與絲素蛋白電紡制備的支架具有較好的物理性能,同時(shí)保持良好的生物相容性。絲素蛋白降解速度慢,能為細(xì)胞提供與生長(zhǎng)速度相匹配的支持。膠原蛋白與絲素蛋白的結(jié)合,可以改善膠原蛋白在干燥狀態(tài)下的物理性質(zhì),也可以提高薄膜的耐水性,降低熱水溶解率[52]。Kwiecien 等[53]嘗試將膠原蛋白與殼聚糖兩種材料進(jìn)行復(fù)合,除了常規(guī)橋接損傷部位外,還發(fā)現(xiàn)可以作為載體持續(xù)性釋放搭載的生物分子制劑,從而發(fā)揮抑制炎癥等作用。有研究設(shè)計(jì)可注射納米纖維水凝膠復(fù)合材料以提供機(jī)械強(qiáng)度和孔隙率,發(fā)現(xiàn)該復(fù)合支架可在沒(méi)有任何外源性因素或細(xì)胞的情況下,對(duì)損傷脊髓提供機(jī)械支持,并支持損傷組織中的促再生巨噬細(xì)胞極化、血管生成、軸突生長(zhǎng)和神經(jīng)發(fā)生[54]。人工材料可以改善低力學(xué)性能和高降解率,反之天然材料也可以改善人工材料的低生物相容性。為了解決肽納米纖維支架力學(xué)性能差、降解率高的問(wèn)題,研究人員提出聚丙交酯-乙交酯復(fù)合改性支架,結(jié)果表明新的肽支架增強(qiáng)了種子細(xì)胞的黏附、伸展和表型表達(dá)[55]。Ahi 等[56]采用聚乳酸-羥基乙酸共聚物作為內(nèi)層支架材料更好促進(jìn)種子細(xì)胞生長(zhǎng),膠原蛋白作為外層支架材料更好促進(jìn)生物分子制劑釋放,這種聚乳酸-羥基乙酸共聚物/膠原蛋白雙層支架可以更好促進(jìn)神經(jīng)軸突的生長(zhǎng)。
在工藝選擇方面,模擬脊髓組織內(nèi)部致密結(jié)構(gòu)的靜電紡絲和3D 打印正逐漸興起。靜電紡絲是利用聚合物發(fā)射源和接地集電極之間的大電壓梯度,從聚合物溶液或熔體中提取含有微米和納米直徑纖維支架的過(guò)程,往期綜述性研究回顧了靜電紡絲技術(shù)制備脊髓支架的優(yōu)越性和實(shí)用性[57-58]。Yan等[59]利用靜電紡絲技術(shù)和復(fù)合人工材料制備出一款新型的納米纖維網(wǎng),檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)該支架具備更優(yōu)的親水性,可以上調(diào)多巴胺和苯胺四聚體的含量,且具備良好的電活性。Cnops等[60]將靜電紡絲技術(shù)進(jìn)行改良,通過(guò)改變靜電紡絲時(shí)間可以得到不同纖維密度的支架,結(jié)果表明具有高纖維密度以及纖維束之間大量的小間隙的支架對(duì)促進(jìn)神經(jīng)再生更加有利。3D 生物打印通過(guò)特制“生物墨水”,以計(jì)算機(jī)三維模型為“圖紙”,實(shí)現(xiàn)快速原型打印,構(gòu)建復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu),最終制造出人造器官和生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品,目前該技術(shù)在骨組織工程的基礎(chǔ)研究已得到長(zhǎng)足發(fā)展并已延伸到臨床應(yīng)用,充分體現(xiàn)了該技術(shù)在人體器官再生中的潛力[61]。脊髓組織作為3D 打印研究的熱點(diǎn)之一,Koffler 等[62]使用微尺度連續(xù)投影打印方法可在1.6 s內(nèi)打印出適合嚙齒動(dòng)物脊髓大小的三維仿生水凝膠支架,并可根據(jù)人類脊髓大小和損傷形狀進(jìn)行縮放;并且該支架可通過(guò)種植神經(jīng)前體細(xì)胞形成突觸并伸入損傷下方的宿主脊髓,以恢復(fù)突觸傳遞并顯著改善功能結(jié)局。Sun 等[63]將膠原/殼聚糖作為打印材料,發(fā)現(xiàn)3D 打印的支架對(duì)大鼠全橫斷脊髓模型具有顯著的治療作用,相較于傳統(tǒng)凍干支架可顯著促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)。
脊髓組織工程的構(gòu)建是指種子細(xì)胞與生物支架的復(fù)合,具體又可以分為體內(nèi)復(fù)合和體外復(fù)合。體外復(fù)合是將細(xì)胞種植在具有三維結(jié)構(gòu)的支架上,在培養(yǎng)基中共同培養(yǎng),使細(xì)胞在三維支架中遷移和生長(zhǎng),最終形成細(xì)胞-支架復(fù)合體。體內(nèi)復(fù)合就是將細(xì)胞-支架復(fù)合體整體移植入體內(nèi),然后在體內(nèi)完成組織的形成和支架材料的降解。體外復(fù)合是前提,體內(nèi)復(fù)合是延續(xù)。近年來(lái)如何選擇有效的細(xì)胞-支架復(fù)合模式已成為脊髓組織工程實(shí)驗(yàn)研究的新熱點(diǎn)[64]。
復(fù)合的核心問(wèn)題在于不同種子細(xì)胞與生物支架的模式會(huì)帶來(lái)不一樣的效果,有些有益,有些無(wú)用,有些甚至有害。搭載生物分子的纖維蛋白支架種植胚胎干細(xì)胞,移植后導(dǎo)致細(xì)胞存活率降低和巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)增加[65]。而在自組裝肽納米纖維支架種植靈長(zhǎng)類神經(jīng)干細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)并不會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞分化率有顯著差異[66]。在此,本文回顧并列舉了一些有代表性的近期脊髓組織工程中種子細(xì)胞與生物支架復(fù)合模式[67-80],主要包含前文提及的種子細(xì)胞種類與生物支架新選擇,這或許能為接下來(lái)嘗試不同種子細(xì)胞與生物支架復(fù)合模式提供研究方向(表3)。此外,生物制劑等其他因素的引入,也為復(fù)合模式提供了新的思路。由于使用了包裹生物制劑的支架,可以通過(guò)緩釋生物制劑使種子細(xì)胞具有較高的細(xì)胞活性,具有良好的細(xì)胞分布和表型,并且在移植后期表現(xiàn)出很強(qiáng)的生物相容性[81]。Li 等[82]在單純膠原支架上搭載西妥昔單抗,結(jié)果表明這套功能性支架可以促進(jìn)支架上的神經(jīng)元分化、成熟,髓鞘和突觸的形成,并可以極大降低硫酸軟骨素蛋白聚糖沉積在病變部位?;谧仙即寄軠p少膠質(zhì)瘢痕,加強(qiáng)內(nèi)在軸突再生的觀點(diǎn),有研究制備了可以在體內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間釋放紫杉醇的膠原蛋白支架,在種植神經(jīng)干細(xì)胞后移植到T8脊髓完全橫斷模型中,結(jié)果表明該模式提供了一個(gè)有益的神經(jīng)干細(xì)胞分化為神經(jīng)元的微環(huán)境,促進(jìn)神經(jīng)元再生和軸突延伸,最終改善運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位和下肢運(yùn)動(dòng)的恢復(fù)[83]。
表3 近期脊髓組織工程種子細(xì)胞-生物支架復(fù)合模式列舉
脊髓損傷康復(fù)臨床路徑包括急性期重建脊柱和神經(jīng)減壓外科治療,以及亞急性和后期綜合康復(fù)[84]。而脊髓組織工程有潛力徹底改變脊髓損傷治療路徑。脊髓組織工程首先通過(guò)手術(shù)挽救脊髓功能,接著通過(guò)支架上的種子細(xì)胞促進(jìn)受損脊髓的再生和替代受損神經(jīng)元樣細(xì)胞,然后支架的橋接作用增強(qiáng)再髓鞘,最后在各種因素的協(xié)同作用下,整個(gè)機(jī)體得到最大程度的康復(fù)。本文簡(jiǎn)要闡述脊髓組織工程中的種子細(xì)胞與生物支架各自及復(fù)合時(shí)存在的問(wèn)題及進(jìn)展,而在實(shí)踐研究中,研究者既可以單純改良種子細(xì)胞或者生物支架,也可以共同改良。如Ji 等[85]對(duì)種子細(xì)胞與生物支架同時(shí)進(jìn)行改良,首先通過(guò)基因轉(zhuǎn)染技術(shù)將高表達(dá)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)素3 的脂肪干細(xì)胞作為種子細(xì)胞,然后首次選用絲素蛋白/殼聚糖復(fù)合材料制備生物支架,最后以此作為新型復(fù)合模式移植到大鼠脊髓損傷模型中。總之,未來(lái)的實(shí)驗(yàn)研究可以嘗試以解決種子細(xì)胞與生物支架問(wèn)題作為基礎(chǔ),重點(diǎn)深入探索適宜的復(fù)合模式,從而為臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化提供依據(jù)。
利益沖突聲明:所有作者聲明不存在利益沖突。