組織工程在面神經修復中的研究進展

瞿思維，李養群，陳森，楊喆

(中國醫學科學院北京協和醫學院整形外科醫院整形二科，北京 100144)

面癱是由面神經功能性或器質性損傷而導致的面神經傳導功能障礙，進而引起面部肌肉功能全部或部分喪失[1]。面部肌肉功能的喪失不僅可導致患者生理障礙，如面部表情喪失、面部肌肉萎縮、視力損傷等[2]；還可給患者造成心理壓力，引起抑郁等負面情緒[3]。因此，面癱的有效治療對患者生活質量的提高至關重要。面癱的治療可分為非動力性修復和動力性修復，動力性修復可更好地提高患者的生活質量[4]。在動力性修復中，自體神經移植作為動力源神經，為患側面肌重新提供動力。常用的動力源神經包括對側面神經、咬肌神經、舌下神經和副神經等[5-7]。自體神經移植以適用范圍廣、修復效果好等優勢被廣為運用。面癱修復中，神經移植術以犧牲一些次要的自體神經來修復面神經。目前，盡量少用或不用自體組織來修復缺損組織的組織工程技術的試驗與運用已在相關醫學領域展開，其中包括面神經修復。神經組織工程技術通過將干細胞種植于支架后，輔助使用生物活性因子，制成生物人工神經導管，起到替代自體神經移植物的作用，發揮類似于自體神經組織修復的功能。現從干細胞來源、生物活性因子導入、干預和支架材料選擇三方面對組織工程在面神經修復中的研究進展予以綜述。

1 干細胞相關干預

1.1干細胞的誘導分化 施萬細胞在周圍神經修復過程中起關鍵作用，其作用在損傷發生后被激活。神經周圍的施萬細胞、軸突內容物和炎癥神經組織與損傷的軸突接觸后，釋放大量營養物質和生長誘導分子，促進軸突出芽、再生[8]。若未對周圍神經損傷進行及時干預，施萬細胞發生凋亡，周圍神經修復能力減弱。因此，許多學者嘗試使用多種來源的干細胞修復周圍神經，且各種來源的干細胞單獨或聯合材料進行周圍神經修復的效果均較好。Murakami等[9]使用膠原蛋白凝膠包埋神經祖細胞修復大鼠坐骨神經缺損的效果較好。Cui等[10]發現，使用胚胎干細胞移植可改善大鼠坐骨神經嚴重缺損后的神經功能恢復。Sasaki等[11]利用含有牙髓細胞的膠原凝膠的硅膠管修復了大鼠神經間隙，修復效果理想。Ladak等[12]研究顯示，利用分化的骨髓間充質干細胞修復周圍神經的效果優于僅使用生物導管進行修復。Uemura等[13]認為，誘導多功能干細胞來源的微球體可促進周圍神經的再生修復。Syu等[14]將脂肪源性神經干細胞聯合脫細胞真皮基質作為神經導管，可促進周圍神經橫斷間隙的修復，上述干細胞治療周圍神經損傷的有效性可能與其在某些生物活性因子或外界環境刺激下能夠分化成施萬細胞而發揮分泌神經營養因子和協助髓鞘形成的能力有關。

近年研究多采用施萬細胞作為面神經組織工程的種子細胞，但也有多種來源細胞的運用，Guo和Dong[15]將神經干細胞用于面神經缺損的人工修復。Watanabe等[16]發現，未分化和分化的脂肪干細胞在面神經再生方面具有治療潛力，并可能替代自體神經移植。Sasaki等[17]證實，含牙髓細胞的膠原支架修復面神經缺損后的功能和電生理效果優于自體神經移植修復。Li等[18]研究發現，嗅鞘細胞對面神經再生有促進作用。Zhang等[19]發現，使用間充質干細胞生物打印構建的組織工程神經可促進大鼠面神經再生。

1.2干細胞的基因編輯 基因編輯是一種利用工程核酸酶在特定位置編輯基因的技術，可通過編輯特定基因控制干細胞分化為施萬細胞，從而用于面神經修復。Hsu等[20]通過基因編輯技術對大鼠脂肪干細胞的神經營養因子基因進行多路激活，使神經因子能夠同時、持續激活至少21 d，進一步將編輯后的干細胞植入大鼠坐骨神經損傷部位，以促進神經再生。此外，基因編輯還能促使干細胞表現為某些特性，Tan等[21]使用基因編輯的方法來減少脂肪干細胞移植后易纖維化的特性，從而提高其對面神經再生的治療效果。

1.3多細胞共培養實現血管化 血管化對神經再生的影響顯著，血管系統可為軸突和相關細胞的再生提供營養物質，可提高其長期存活率；血管內皮細胞分泌的分子有利于神經再生；血管也作為施萬細胞遷移的軌跡，引導軸突的生長[22]。Gao等[23]為了實現組織工程神經的血管化，通過在三維復合支架中共培養施萬細胞和血管內皮細胞，可形成血管化神經組織工程結構，以更好地促進神經再生。Sanen等[24]將具有促血管生成作用的分化人牙髓干細胞種植在神經導管內，結果顯示，神經導管內有神經突、髓神經纖維和血管生成，分化的人牙髓干細胞在神經再生中發揮積極作用。

種子細胞是組織工程中的核心功能表現體，在干細胞的處理上，通過誘導分化不同種干細胞表現出施萬細胞表型，實現作為面神經組織工程種子細胞的目標。基因編輯則是一種重要且直接的干預方式，可作用于干細胞，使其表達所需要的特性。使用干細胞提高血管化，有助于提高組織工程面神經的存活率。

2 生物活性因子

2.1典型神經營養因子 神經組織的修復再生是生物分子和物理信號刺激受損組織細胞再生的過程，而生物分子在模擬神經組織修復過程的神經組織工程中具有重要性。這些生物分子能有效促進受損神經組織再生，招募干細胞并誘導其分化為成熟神經元。較典型的3種神經營養因子是神經生長因子、腦源性神經營養因子和神經營養因子-3。神經生長因子不僅能通過抗凋亡作用促進神經元存活，還能促進中樞和外周神經系統中神經元群的存活，特別是支持外周交感神經和神經嵴衍生的感覺神經元的生長和存活；腦源性神經營養因子可促進感覺背根神經節的感覺神經元和迷走神經節的神經元，腦源性神經營養因子還有助于運動神經元及其軸突的存活和生長，而對交感神經元的影響最小；神經營養因子-3能夠促進椎旁交感神經節的神經突生長，與神經生長因子或腦源性神經營養因子相比，其作用具有特異性[25]。

2.2非典型神經營養因子 除典型的神經營養因子外，其他類型的生化因子可促進神經組織的再生修復，如成纖維細胞生長因子、膠質細胞來源的神經營養因子、胰島素樣生長因子和血管內皮生長因子等[26-27]。Ma等[28]采用可持續遞送膠質細胞來源的神經營養因子膠原管道修復面神經的效果良好，其修復神經的再生程度與自體神經離斷再吻合治療接近，優于其他神經導管移植治療。Cui等[29]采用睫狀神經營養因子和堿性成纖維細胞生長因子修飾膠原支架，結果顯示，該復合導管具有良好的性能，可有效促進實驗豬的面神經再生。Ma等[30]使用錨定堿性成纖維細胞生長因子鼠尾膠原的神經導管促進管內干細胞增殖的研究顯示，該神經導管可有效促進面神經生長和功能恢復，且效果與自體神經移植相近。

神經組織工程的血管化還能通過與成纖維細胞共培養或添加血管生成生長因子來實現。Bin等[31]通過構建基于血管內皮生長因子-肝素緩釋系統的血管化組織工程神經，實現移植區早期血管化，極大地提高了神經再生的速度。神經組織工程中特定神經生物活性因子的神經修復效果較好，推測其與組織工程聯合使用的效果較好，但使用劑量、作用時間、作用途徑、作用方式等仍需深入探索，以發揮更好的效果。

3 生物支架

3.1聚合材料 生物材料支架可以誘導軸突再生。目前神經組織替代材料所使用的神經導管多為圓柱形管道或圓柱形多孔結構，以容納種子細胞和生物活性因子，利于誘導再生[32]。不同管道材料的性能也存在差異。由于聚合物本身具有良好的延展性、抗拉強度、易于縫合等特性，且可能影響仿生基體的物理、化學和機械性能，符合神經組織工程材料的需求，聚合物是神經組織工程支架材料的首選。聚合物一般可分為合成聚合物和天然聚合物。合成聚合物由實驗室中的單體以各種形式聚合而成。合成生物材料(如聚乳酸和聚乳酸-乙醇酸)具有低炎癥反應和易于加工的優勢而廣泛應用。聚乳酸-乙醇酸支架具有黏附施萬細胞并引導其生長的特性。膠原蛋白、殼聚糖和絲素蛋白等天然聚合物均從生物體內獲取，在外周神經組織工程的運用也較多，Liu等[33]采用殼聚糖神經導管聯合微球緩釋神經生長因子修復家兔面神經缺損的效果顯著。Si等[34]開發的殼聚糖/膠原復合支架作為外周神經再生支架材料表現出良好的性能。Xue等[35]使用電紡絲技術制造了用于連接犬坐骨神經間隙的絲素蛋白神經支架，且再生效果良好，與自體神經移植的效果相近。水凝膠作為一種特殊的親水性高分子材料應用于神經組織工程，具有良好的生物相容性，其多孔結構能夠運載細胞，并可緩釋所運載生物活性因子。水凝膠作為支架材料可通過改變分子組成獲得一定抗外力及導電作用，Dong等[36]研制出一種具有光刺激反應和可拉伸性的導電聚合物水凝膠，可作為周圍神經嚴重損傷的生物支架材料。此外，一些熱門材料(如石墨烯)還可作為復合材料中的輔助材料，賦予支架材料新的組織特性，Jaswal等[37]研發了一種聯合納米石墨烯包裹金納米粒子的聚己內酯電紡絲納米纖維支架，支架中裝載的石墨烯包裹金納米粒子對神經突的生長有較大影響，可使神經突長度增加1倍。

3.2生物復合材料 合適生物支架的選擇取決于其生物相容性、孔隙度、生物可吸收性和機械強度。①支架的生物相容性要求生物材料可與機體結合，而不會產生極端免疫排斥反應；②生物支架的孔隙度適當，生物支架通過影響細胞浸潤和增殖而發揮作用，用于軟組織的生物支架重新吸收后可逐漸被再生組織取代，故生物支架需要具有生物可吸收性，并能體內逐漸分解成無毒的代謝產物；③生物支架的機械性能必不可少，生物替代材料植入過程需要載體具有穩定的機械強度。許多天然和合成材料都具有一定的特性，因此可通過不同比例的組合而獲得最佳性能[25]。Jang等[38]提出了一種由聚乳酸微纖維輔以膠原蛋白和人臍帶血清組成的新型生物復合纖維神經導管，這種神經導管在面神經損傷修復再生方面表現出更高的生物活性。復合材料還具有促進組織工程神經導管血管化的作用，Wang等[39]建立了一種以絲素蛋白為基礎的復合納米纖維材料，其能顯著促進成纖維細胞的增殖，并使血管內皮生長因子水平明顯升高，促神經修復效果較好。

3.3脫細胞組織材料 除聚合物外，脫細胞組織作為一類具有潛力的生物來源材料被不斷研究探索。Sun等[40]將經分化的自體脂肪干細胞種植于脫細胞的異體動脈導管修復大鼠面神經缺損，獲得一定療效。Wüthrich等[41]采用脫細胞材料作為神經導管支架以及制造血管蒂的神經支架，其中血管系統和細胞外基質成分保存良好，與無血管系統的導管相比，該支架可促進更大的神經缺損重建。隨著生物打印技術的不斷發展，Zhu等[42]運用生物3D打印制備了組織工程神經引導導管，通過動物模型證實其能有效修復周圍神經損傷。

3.4材料誘導原位再生 由于干細胞移植存在細胞存活率低、治療效果差、細胞來源不足等問題，可利用體內存在的宿主細胞進行修復再生。組織原位再生的理念是在缺損組織原位植入生物材料，不僅可招募干細胞，還可通過刺激局部組織促進組織再生[43]。Schilling等[44]使用序列優化肽納米纖維材料修復大鼠面神經的研究顯示，該新型生物活性支架不僅可刺激細胞黏附和生長，還支持神經元和神經膠質細胞的生長，修復效果良好。Wang等[45]研究發現，導電石墨烯納米纖維支架能引導細胞遷移，從而促進周圍神經再生。

生物支架是組織工程的必需基礎，可優化、強化種子細胞的功能表現。材料研究的新興發展與組織工程息息相關，由于神經組織獨特的物理化學特性，面神經組織工程中支架材料的研究種類較其他組織少。組織原位再生應用中支架的作用從基礎作用變成主導作用，使整個組織工程的修復過程變得更簡單、更快捷。

4 展 望

在多項面神經損傷修復研究中，組織工程化神經組織的運用達到了自體神經組織移植的效果，充分說明組織工程神經的有效性和實用性。但并非所有的面癱均由面神經缺損導致，故組織工程修復在面癱修復重建中還存在一定的局限性。組織工程在面神經缺損修復方面的應用還需進一步探索。各種來源干細胞替代施萬細胞用于組織工程，隨著基因編輯技術的提高，可根據研究需要增加細胞某些生物活性因子的表達，或使其表現出某些生物特性，以提高面神經修復效果。生物支架不僅可以通過物理刺激提高周圍神經的修復效果[46]，還能結合生化物理刺激提高修復效果，未來生物材料的運用范圍亦將日趨廣泛。