生物支架聯(lián)合干細(xì)胞移植治療脊髓損傷的研究進(jìn)展

李 濤 譚龍旺

(1 延安市中醫(yī)醫(yī)院骨科，陜西省延安市 716000；2 陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院脊柱骨科，陜西省咸陽市 710077)

【提要】 脊髓損傷是一種由外傷等原因引起的神經(jīng)損傷性疾病，可導(dǎo)致患者損傷部位以下感覺和運(yùn)動(dòng)功能部分或全部喪失。目前脊髓損傷的治療方法包括手術(shù)治療、藥物治療、高壓氧療、脈沖電療等，雖然這些方法能延緩脊髓損傷的進(jìn)展，但對神經(jīng)功能的改善效果并不理想。近年來有學(xué)者提出，干細(xì)胞移植能在一定程度上促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)，對于脊髓損傷患者的康復(fù)具有重要意義，但如何將干細(xì)胞高效地應(yīng)用于脊髓損傷的治療，仍是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。研究表明，將干細(xì)胞種植于生物支架后再移植于脊髓損傷部位，可顯著提高干細(xì)胞存活率，促進(jìn)損傷脊髓的恢復(fù)。但由不同生物材料制作而成的支架的移植效果存在差異，選擇合適的生物支架對于促進(jìn)脊髓損傷后的功能恢復(fù)具有重要意義。本研究通過總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，分析干細(xì)胞移植治療脊髓損傷的優(yōu)勢與不足，探討生物支架聯(lián)合干細(xì)胞移植治療脊髓損傷的應(yīng)用前景。

脊髓損傷的低治愈率和高致殘率給患者和社會帶來了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，探索科學(xué)可行的治療技術(shù)是目前的研究熱點(diǎn)之一。研究表明，干細(xì)胞可以促進(jìn)損傷神經(jīng)細(xì)胞分化、促進(jìn)軸突再生、減輕炎癥反應(yīng)，對于骨髓損傷患者神經(jīng)功能的恢復(fù)具有重要意義；但單純干細(xì)胞移植的細(xì)胞存活率低，且因腦脊液不斷流動(dòng)，干細(xì)胞很難定植于損傷脊髓部位，不能定向分化及難以跨越膠質(zhì)瘢痕[1-4]。將生物支架應(yīng)用于脊髓損傷治療是近年的研究熱點(diǎn)，生物支架可顯著提高干細(xì)胞的存活率，改善損傷局部的微環(huán)境，填充損傷區(qū)域的空腔。另外，聯(lián)合生物支架治療可以誘導(dǎo)干細(xì)胞定向生長，緩慢釋放神經(jīng)營養(yǎng)因子，更有利于干細(xì)胞穿越膠質(zhì)瘢痕，促進(jìn)損傷后運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)[5-12]。目前生物支架聯(lián)合干細(xì)胞移植治療脊髓損傷取得了一定成效。為此，本研究對生物支架聯(lián)合干細(xì)胞移植治療脊髓損傷的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 不同干細(xì)胞移植治療脊髓損傷的效果

1.1 神經(jīng)干細(xì)胞移植治療脊髓損傷 神經(jīng)干細(xì)胞來源于神經(jīng)組織，是分化程度最高、再生能力最強(qiáng)的細(xì)胞之一，其可分化為神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞，在神經(jīng)再生中起著至關(guān)重要的作用[13]。研究表明，神經(jīng)干細(xì)胞具有無限增殖的能力及多向分化的潛能，移植至脊髓損傷患者體內(nèi)可直接代替損傷處的細(xì)胞發(fā)揮作用，并能分泌多種神經(jīng)營養(yǎng)因子及調(diào)節(jié)機(jī)體免疫平衡因子以改善微環(huán)境，促進(jìn)神經(jīng)元定向分化，進(jìn)而促進(jìn)神經(jīng)組織修復(fù)[14-16]。總之，神經(jīng)干細(xì)胞不僅分化能力強(qiáng)，且能夠調(diào)節(jié)微環(huán)境，將其應(yīng)用于脊髓損傷患者的治療或許能取得良好的療效。

1.2 間充質(zhì)干細(xì)胞移植治療脊髓損傷 間充質(zhì)干細(xì)胞是一類源于中胚層的多能干細(xì)胞，具有自我更新和多項(xiàng)分化的潛能，如跨胚層分化為神經(jīng)細(xì)胞，同時(shí)其可以發(fā)揮營養(yǎng)神經(jīng)、調(diào)節(jié)免疫平衡、抗氧化應(yīng)激和抗凋亡等作用，是脊髓組織損傷后很好的移植材料[17-18]。間充質(zhì)干細(xì)胞來源比較豐富，獲取及培養(yǎng)方式較簡單；在培養(yǎng)過程中其生物學(xué)特性基本不發(fā)生改變，具有高度的分化能力及良好的可移植性；其無移植免疫排斥反應(yīng)，能夠改善脊髓損傷患者的繼發(fā)性損害，提高突觸間傳遞能力，促進(jìn)神經(jīng)傳導(dǎo)系統(tǒng)的重建，從而可改善患者肢體的部分運(yùn)動(dòng)及感覺功能[19-21]。這些優(yōu)勢使得間充質(zhì)干細(xì)胞在脊髓損傷的移植治療中具有廣闊的前景。

1.3 其他干細(xì)胞移植治療脊髓損傷 有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，脊髓損傷后進(jìn)行嗅鞘細(xì)胞移植不僅可以保護(hù)脊髓損傷區(qū)的神經(jīng)組織，促進(jìn)軸突及髓鞘的再生，還可以抑制神經(jīng)和周圍細(xì)胞異常的增生，減輕炎癥反應(yīng)，從而改善微環(huán)境，促進(jìn)神經(jīng)元的修復(fù)、軸突和髓鞘的再生[22-24]。研究表明，通過移植施萬細(xì)胞至脊髓受損處可以減輕組織繼發(fā)性損傷，維持軸突可塑性，促進(jìn)軸突再生和再髓鞘化[25]。此外，胚胎干細(xì)胞也可在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中分化為新的細(xì)胞和分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子,從而促進(jìn)脊髓損傷后肢體運(yùn)動(dòng)和感覺功能的恢復(fù)[26]。干細(xì)胞種類繁多，用于移植治療具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢，未來還需更多的研究來篩選更利于神經(jīng)恢復(fù)的干細(xì)胞類型。

1.4 干細(xì)胞移植治療脊髓損傷的局限性 雖然目前大量研究證實(shí)了干細(xì)胞移植在脊髓損傷治療中的應(yīng)用前景十分廣闊，但將其應(yīng)用于臨床仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。脊髓損傷部位的微環(huán)境比較復(fù)雜，而復(fù)雜的微環(huán)境可使干細(xì)胞移植的體內(nèi)治療作用降低，且部分患者存在免疫排斥反應(yīng)及干細(xì)胞異位擴(kuò)散致瘤風(fēng)險(xiǎn)[27-28]。此外，軸突再生相關(guān)機(jī)制極為復(fù)雜，單獨(dú)應(yīng)用干細(xì)胞移植時(shí)存在細(xì)胞存活率低、分化方向不可控等缺點(diǎn)[29]。因此，如何提高移植細(xì)胞的存活率及調(diào)控細(xì)胞的分化狀態(tài)，是目前的研究熱點(diǎn)之一。本文也將對目前備受學(xué)者關(guān)注的生物支架作為研究重點(diǎn)，探討生物支架聯(lián)合干細(xì)胞移植用于治療脊髓損傷的前景。

2 生物支架的種類及特點(diǎn)

近年來，組織結(jié)構(gòu)工程學(xué)的興起為脊髓損傷的治療提供了新方向，并取得了初步進(jìn)展。多數(shù)研究是將干細(xì)胞種植于生物支架后，再共同移植到損傷脊髓處。生物支架可以通過抑制神經(jīng)細(xì)胞的凋亡來抑制炎癥因子的釋放，促進(jìn)細(xì)胞分化，改善損傷部位局部的微環(huán)境，以及加強(qiáng)信號通路之間的傳導(dǎo)，具有更好的修復(fù)作用[30]。目前生物支架主要分為天然支架、合成支架、復(fù)合支架。天然支架具有良好的生物相容性，生物降解性好，形態(tài)重塑性強(qiáng)，毒副作用低；但天然支架力學(xué)性能較差,無法為細(xì)胞攀爬提供足夠的力學(xué)支撐，且降解速度快。合成支架材料具有較好的力學(xué)性能，合成較為容易，且近年來，可以通過3D打印技術(shù)個(gè)性化制作合成支架，具有成型快速、產(chǎn)出量大的優(yōu)勢[31]。但合成支架的細(xì)胞相容性差,在降解過程中易導(dǎo)致酸性環(huán)境形成，從而對細(xì)胞產(chǎn)生一定損害。復(fù)合支架由天然材料及合成材料組合而成,具有兩者的優(yōu)點(diǎn)，但是造價(jià)昂貴[32-36]。復(fù)合支架雖造價(jià)昂貴，但與干細(xì)胞之間存在良好的生物相容性，并且在移植后對微環(huán)境的不良影響較小，是較為理想的生物支架。

3 生物支架聯(lián)合各種干細(xì)胞移植治療脊髓損傷

3.1 生物支架聯(lián)合神經(jīng)干細(xì)胞

3.1.1 生物支架聯(lián)合原始神經(jīng)干細(xì)胞：曹宗銳等[37]研究發(fā)現(xiàn)，膠原/硫酸肝素支架具有良好的生物學(xué)性能，內(nèi)部具有多組平行的多孔結(jié)構(gòu)，將神經(jīng)干細(xì)胞種植于膠原/硫酸肝素支架后填充于大鼠脊髓損傷處，可以構(gòu)建適合神經(jīng)細(xì)胞再生的微環(huán)境，有利于大鼠脊髓損傷處部分神經(jīng)元回路的重新建立，促進(jìn)神經(jīng)纖維再生，從而改善脊髓損傷后大鼠肢體的部分運(yùn)動(dòng)功能。Wang等[38]將神經(jīng)干細(xì)胞在殼聚糖/明膠支架上培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)干細(xì)胞能很好地在殼聚糖/明膠支架上黏附與生長，并朝著神經(jīng)元與星形膠質(zhì)細(xì)胞方向分化，緩解了脊髓損傷大鼠后肢體的運(yùn)動(dòng)障礙。漆國棟等[39]將穩(wěn)定傳代的神經(jīng)干細(xì)胞與脊髓脫細(xì)胞支架用于構(gòu)建組織工程脊髓，通過觀察神經(jīng)干細(xì)胞在支架上的黏附、生長與分化情況，發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞可很好地黏附在該支架上，并逐漸分化為胞體豐滿、軸突清晰的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，且分化后的神經(jīng)元軸突之間可以建立穩(wěn)定的聯(lián)系，形成的軸突還可深入支架基質(zhì)孔隙中。

3.1.2 生物支架聯(lián)合其他來源或衍生的神經(jīng)干細(xì)胞：有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，將3D打印支架聯(lián)合尿液細(xì)胞來源的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)-神經(jīng)干細(xì)胞(neural stem cells,NSCs)移植于大鼠急性脊髓損傷區(qū)域后，電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)大鼠受損節(jié)段的脊神經(jīng)纖維生長良好，大鼠的運(yùn)動(dòng)和感覺功能有所恢復(fù)[40-41]。Zhou等[42]分別將iPSCs-NSCs聯(lián)合聚己內(nèi)酯支架、NSCs聯(lián)合聚己內(nèi)酯支架填充于大鼠脊髓損傷區(qū)域，觀察到iPSCs-NSCs在支架上的生長狀況優(yōu)于NSCs，iPSCs-NSCs組大鼠脊髓損傷處病變腔的空間范圍小于NSCs組，且大鼠下肢運(yùn)動(dòng)功能的改善更為顯著，表明聯(lián)合組移植對病變區(qū)域的修復(fù)能力強(qiáng)于單純組。張雪松等[43]將于大鼠鼻呼吸黏膜組織獲得的外胚層間充質(zhì)干細(xì)胞并誘導(dǎo)分化為神經(jīng)干細(xì)胞，然后將其種植于纖維蛋白支架并移植于大鼠脊髓損傷處，結(jié)果表明纖維蛋白支架對外胚層間充質(zhì)源性的神經(jīng)干細(xì)胞的生長具有良好的促進(jìn)作用，對脊髓損傷后的組織學(xué)重建和功能恢復(fù)均具有明顯的促進(jìn)作用。

綜上所述，將生物支架與神經(jīng)干細(xì)胞進(jìn)行聯(lián)合移植，可以促進(jìn)干細(xì)胞的存活，改善損傷處的微環(huán)境，使細(xì)胞可以更好跨越損傷區(qū)域，并可促進(jìn)信號通路的傳導(dǎo)，對損傷肢體感覺及運(yùn)動(dòng)的改善具有良好的促進(jìn)作用。

3.2 生物支架聯(lián)合間充質(zhì)干細(xì)胞

3.2.1 生物支架聯(lián)合骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞：Kim等[44]將骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分別種植于殼聚糖支架及聚乳酸-糖基乙酸支架，并將兩者分別移植于大鼠脊髓損傷處，結(jié)果顯示與單純骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植相比，支架聯(lián)合骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植的細(xì)胞存活率高，且具有更好的神經(jīng)保護(hù)作用，對大鼠運(yùn)動(dòng)功能的改善更為顯著，但兩種支架的移植效果并無明顯差異。王健豪等[45]觀察3D打印水凝膠支架聯(lián)合骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植與單純骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植治療大鼠骨髓損傷的效果差異，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合組可更有效地促進(jìn)脊髓損傷大鼠的運(yùn)功、感覺功能恢復(fù)，以及改善神經(jīng)電信號傳導(dǎo)功能。

3.2.2 生物支架聯(lián)合臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞：Wang等[46]將人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞種植于膠原蛋白支架后移植至大鼠脊髓損傷處，發(fā)現(xiàn)與單純?nèi)四殠чg充質(zhì)干細(xì)胞移植相比，該方法可更好地改善大鼠皮質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和體感誘發(fā)電位，對大鼠運(yùn)動(dòng)神經(jīng)功能具有更好的修復(fù)作用，并可抑制不利于細(xì)胞修復(fù)的星形膠質(zhì)細(xì)胞的生長。Zhao等[47]將含有人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞的神經(jīng)再生膠原支架植入大鼠脊髓損傷部位，發(fā)現(xiàn)人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞可正常增殖，也未出現(xiàn)異位擴(kuò)散，并且大鼠體感和運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位反應(yīng)區(qū)擴(kuò)大、肢體活動(dòng)范圍增加、自主神經(jīng)功能有所恢復(fù)。以上研究表明，人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞聯(lián)合支架治療脊髓損傷安全且有效。

3.2.3 生物支架聯(lián)合其他間充質(zhì)干細(xì)胞：Zhang[48]將牙髓干細(xì)胞與殼聚糖支架共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)殼聚糖支架可提高牙髓干細(xì)胞的活性和分化率，促進(jìn)牙髓干細(xì)胞分泌神經(jīng)細(xì)胞(少突膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)元)特異性標(biāo)志物的表達(dá)；將牙髓干細(xì)胞與殼聚糖支架聯(lián)合植入脊髓損傷大鼠的病灶處后，大鼠后肢的局部運(yùn)動(dòng)功能改善，病灶處的凋亡細(xì)胞減少。這表明牙髓干細(xì)胞聯(lián)合殼聚糖支架可促進(jìn)神經(jīng)元分化，有利于損傷脊髓的修復(fù)。楊文靜等[49]觀察了外胚層間充質(zhì)干細(xì)胞在定向多通道纖維蛋白支架上的生長、分化情況，發(fā)現(xiàn)外胚層間充質(zhì)干細(xì)胞可正常生長，且此種特殊支架有利于外胚層間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附、遷移及向神經(jīng)方向分化。這一研究結(jié)果或可為將為多通道纖維蛋白支架聯(lián)合外胚層間充質(zhì)干細(xì)胞用于脊髓損傷修復(fù)提供新思路。

3.3 生物支架聯(lián)合其他干細(xì)胞 崔學(xué)文等[50]將來源于外胚層間充質(zhì)的施萬細(xì)胞種植于纖維蛋白膠支架，觀察其在大鼠損傷脊髓中的生長、分化情況，以及與纖維蛋白支架環(huán)境的組織相容性，評價(jià)該移植治療脊髓損傷的效果。結(jié)果顯示，與單純纖維蛋白膠支架相比，種植有來源于外胚層間充質(zhì)的施萬細(xì)胞的纖維蛋白膠支架與組織具有良好的相容性，對大鼠脊髓功能的恢復(fù)具有明顯的促進(jìn)作用[50]。柴斌等[51]將施萬細(xì)胞種植于聚乳酸-羥基乙酸多通道支架，觀察其對脊髓損傷后大鼠的治療效果，結(jié)果表明該支架極大限制了星型膠質(zhì)細(xì)胞的入侵,使得再生軸突能夠進(jìn)入管道內(nèi)并形成一致的排列。該結(jié)果表明，生物支架能夠?yàn)檩S突再生提供環(huán)境，聯(lián)合干細(xì)胞移植治療脊髓損傷可促進(jìn)局部感覺和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)功能的恢復(fù)。

3.4 生物支架聯(lián)合經(jīng)基因修飾的干細(xì)胞 趙宣淇等[52]將NT-3基因修飾的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞種植于水凝膠支架后移植到脊髓損傷大鼠,發(fā)現(xiàn)其可提升大鼠的肢體運(yùn)動(dòng)能力，提高損傷區(qū)域神經(jīng)元及神經(jīng)纖維數(shù)目，減少膠質(zhì)瘢痕形成。Li等[53]將絲素蛋白支架與神經(jīng)營養(yǎng)因子-3修飾的干細(xì)胞共同移植到脊髓損傷模型犬中，發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞可以從支架內(nèi)持續(xù)釋放到損傷組織周圍，明顯改善犬的肢體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)功能。Araújo等[54]將過表達(dá)人堿性成纖維細(xì)胞生長因子修飾的神經(jīng)干細(xì)胞聯(lián)合纖維蛋白支架移植至大鼠脊髓損傷部位,結(jié)果表明其可發(fā)揮有效的神經(jīng)保護(hù)作用，可更好地促進(jìn)軸突生長，使細(xì)胞生長因子含量增多、炎性因子釋放減少，改善局部微環(huán)境。

4 小結(jié)與展望

生物支架聯(lián)合干細(xì)胞移植治療脊髓損傷優(yōu)勢顯著，選擇合適的生物支架可以更好抑制細(xì)胞凋亡，為受損部位的軸突提供銜接，使干細(xì)胞充分釋放并增殖，為促進(jìn)脊髓神經(jīng)功能的恢復(fù)提供良好的微環(huán)境。但是不同生物支架具有不同結(jié)構(gòu)和特性，植入生物支架需要充分考慮植入后的免疫排斥反應(yīng)、材料的支撐強(qiáng)度及生物降解性。因此，在今后的研究中，需要針對脊髓損傷各時(shí)期特點(diǎn)制訂相應(yīng)的聯(lián)合治療方案，并且選擇損傷最小、治療效果更佳的植入方式。