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(jí)商業(yè)收購專家和冒險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)達(dá)人，一次意外交通事故造成的脊髓嚴(yán)重?fù)p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(huì)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(shí)行安樂死，即使后來他愛上了照顧自己的女護(hù)工，都沒改變這一決定。

脊髓損傷類疾病會(huì)帶給人莫大的痛苦和絕望。

脊髓損傷是脊柱損傷最嚴(yán)重的并發(fā)癥，創(chuàng)傷（如車禍、跌倒）、疾病或退化（如關(guān)節(jié)炎、癌癥）都可能導(dǎo)致脊髓損傷。由于脊髓的完整性和連續(xù)性受到破壞，大腦和身體其他部位之間收發(fā)信號(hào)的細(xì)胞和神經(jīng)受到損傷，患者受傷部位以下的感覺、運(yùn)動(dòng)、力量和身體功能會(huì)發(fā)生暫時(shí)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(jù)世界衛(wèi)生組織公布的數(shù)據(jù)，全球每年約有25萬至50萬人遭遇脊髓損傷。以目前的醫(yī)療技術(shù)，尚無有效的治療方法可以逆轉(zhuǎn)脊髓損傷患者神經(jīng)功能上的損害，針對(duì)這類疾病的預(yù)防、治療和康復(fù)仍然是醫(yī)學(xué)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(xué)Sagol再生生物技術(shù)中心的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在科學(xué)期刊《Advanced Materials》上公布了一項(xiàng)研究成果，他們利用人體細(xì)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(shí)驗(yàn)小鼠。

這是全球首次從人類細(xì)胞中培育出脊髓組織并開展移植實(shí)驗(yàn)，且取得了較好的結(jié)果：急性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ń诨蚨唐诎c瘓小鼠）的恢復(fù)成功率為100%，慢性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄩL期癱瘓小鼠）恢復(fù)的成功率為80%。

脊髓損傷治療的難點(diǎn)在于神經(jīng)的自我修復(fù)能力有限。脊髓損傷最初發(fā)生時(shí)，造成損傷的原發(fā)性外傷會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡、血液屏障破壞和細(xì)胞外基質(zhì)（ECM，一種影響細(xì)胞代謝、增殖和分化等功能，為細(xì)胞生存和活動(dòng)提供場所的大分子網(wǎng)絡(luò)，包括膠原蛋白和糖等物質(zhì)）降解。

這個(gè)過程可能會(huì)引起繼發(fā)性損傷反應(yīng)，即導(dǎo)致一些組織的損傷并形成膠質(zhì)瘢痕。受損部位周圍的健康神經(jīng)組織有促進(jìn)組織修復(fù)的可能性，但由于瘢痕中缺乏允許細(xì)胞生長的微環(huán)境，細(xì)胞內(nèi)在的再生潛力較差，所以一旦神經(jīng)組織損傷被瘢痕替代，神經(jīng)元就失去了再生和重新連接的機(jī)會(huì)，可能形成永久性的神經(jīng)功能障礙。

目前，針對(duì)脊髓損傷治療的代表性研究方向有神經(jīng)保護(hù)、修復(fù)和再生、細(xì)胞療法和輔助技術(shù)。這些研究的思路或試圖減少進(jìn)一步脊髓損害的發(fā)生，或促進(jìn)脊髓內(nèi)部神經(jīng)元再生和訓(xùn)練患者中樞神經(jīng)系統(tǒng)。其中，以細(xì)胞為基礎(chǔ)的治療，可以利用細(xì)胞的自我復(fù)制能力，根據(jù)細(xì)胞類型和狀態(tài)等替換受損細(xì)胞，成為治療脊髓損傷的一種代表性策略。

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

從同種異體或異種的供體中分離部分細(xì)胞會(huì)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(yīng)來實(shí)現(xiàn)移植的長期效果。此外，這種方法還面臨免疫排斥反應(yīng)導(dǎo)致的未能成功分離細(xì)胞和植入等問題。

為了克服排斥的風(fēng)險(xiǎn)，自體原代細(xì)胞成為一種選擇，它來源于患者自身，免疫反應(yīng)小，不過由于需要在移植前對(duì)患者施行手術(shù)獲取和體外擴(kuò)增，成本通常較高，且從自體中樞神經(jīng)系統(tǒng)組織獲取細(xì)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(xué)的最新研究采用了誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC），它利用了基因編輯技術(shù)，也是從患者自體獲得，但不局限于中樞神經(jīng)系統(tǒng)組織，而是允許從其他組織中獲取，這種體細(xì)胞可以被編程為多能細(xì)胞，然后分化為患者所需的細(xì)胞譜 系。

“我們這項(xiàng)技術(shù)是針對(duì)患者的特殊治療，這種治療的理念是完全自體的，使用的細(xì)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(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。”Sagol再生生物技術(shù)中心研究人員、研究論文的第一作者Lior Wertheim對(duì)《第一財(cái)經(jīng)》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(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)組成。研究人員將細(xì)胞從細(xì)胞外基質(zhì)中分離出來后，使用基因工程對(duì)細(xì)胞重新編程，從而使細(xì)胞恢復(fù)到一種類似于胚胎干細(xì)胞的狀態(tài)，這種細(xì)胞能夠“變成”人體的任何細(xì)胞（iPSCs），也就是讓其達(dá)到一種較全能狀態(tài)。

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(huán)境下實(shí)行有效分化，由此模仿脊髓組織的胚胎發(fā)育，這個(gè)過程為期30天，iPSCs就能成功轉(zhuǎn)化為包含脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的3D植入物。

理論上，從患者體內(nèi)提取網(wǎng)膜組織細(xì)胞（人類器官外部的一層“保護(hù)膜”），并將該細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)分離，就可加工成水凝膠。但由于人類網(wǎng)膜可用性的限制，這次實(shí)驗(yàn)采用的是基于豬網(wǎng)膜的水凝膠。據(jù)Sagol再生生物技術(shù)中心負(fù)責(zé)人、這項(xiàng)研究的領(lǐng)導(dǎo)者Tal Dvir教授介紹，現(xiàn)階段已經(jīng)具備生產(chǎn)基于人類網(wǎng)膜的水凝膠的能力，不久就會(huì)采用它開展實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中所有的小鼠，接受了來自三個(gè)人的脊髓細(xì)胞植入物。對(duì)于小鼠來說，癱瘓6周相當(dāng)于人類癱瘓了6個(gè)月至1年。而將長期癱瘓小鼠納入，也是這次實(shí)驗(yàn)的一大突破。

以往與干細(xì)胞相關(guān)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?yàn)椴痪劢褂陂L期的永久性損傷機(jī)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(zhì)瘢痕已經(jīng)完全發(fā)育，手術(shù)也會(huì)更加復(fù)雜，而且患者癱瘓時(shí)間更長，也可能導(dǎo)致組織變性，需要較長恢復(fù)時(shí)間，所以長期模型能更好地代表治療可應(yīng)用的時(shí)間框架。”Wertheim 說。

據(jù)他介紹，雖然這次實(shí)驗(yàn)還未發(fā)現(xiàn)讓小鼠恢復(fù)的確切細(xì)胞機(jī)制，但在小鼠接受移植之后，從星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞損傷網(wǎng)絡(luò)的低表達(dá)上，可以看到明顯的炎癥減少，組織內(nèi)部形成了一個(gè)更有利的環(huán)境，神經(jīng)元的數(shù)量也明顯增加。“這些表現(xiàn)最終轉(zhuǎn)化為了小鼠更高的行為功能恢復(fù)水平。”

由于置入小鼠體內(nèi)的植入物來自于人類細(xì)胞，這也意味著，在之后人類的臨床實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備中，研究者不必重新回到起點(diǎn)。“這種治療最終是針對(duì)人類的，開發(fā)利用人類細(xì)胞的治療更有意義。使用人類的細(xì)胞消除了小鼠的異種免疫反應(yīng)，之后實(shí)行人類自體移植的潛力也將更大。”Wertheim表示，

隨著外骨骼機(jī)器人的發(fā)展，如今已有針對(duì)癱瘓病人的外骨骼輔助機(jī)器人，通過傳感器檢測用戶意圖，再帶動(dòng)患肢運(yùn)動(dòng)，開展輔助訓(xùn)練，其主要作用是帶著患者先動(dòng)起來，以刺激神經(jīng)可塑性等方式開始康復(fù)進(jìn)程。

外骨骼機(jī)器人還可以繼續(xù)幫助病患約束訓(xùn)練，用設(shè)定好的程序帶動(dòng)病患做出指定動(dòng)作，逐漸加大動(dòng)作幅度和每次訓(xùn)練時(shí)長。在病患恢復(fù)到一定程度后，外骨骼機(jī)器人就可以進(jìn)一步輔助抵抗訓(xùn)練，對(duì)其運(yùn)動(dòng)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(jī)器人正常生活，采用這種方式目前最理想的結(jié)果，仍是病患在機(jī)器人的輔助下行動(dòng)，而非徹底恢復(fù)到癱瘓前的生活狀態(tài)。

Tal Dvir團(tuán)隊(duì)的最終目標(biāo)則是幫助脊髓損傷患者重新站立甚至恢復(fù)行走的能力。

2019年，Dvir和同伴聯(lián)合創(chuàng)立了一家名為Matricelf的公司，負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)和后續(xù)可能的商業(yè)化。目前，基于iPSC的相關(guān)療法還未達(dá)到生物制品許可申請(qǐng)（BLA）提交市場批準(zhǔn)的商業(yè)階段。“公司現(xiàn)處于臨床前的實(shí)驗(yàn)階段，有希望在2至3年內(nèi)進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)階段。”Dvir對(duì)《第一財(cái)經(jīng)》雜志說。

Dvir的團(tuán)隊(duì)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)未來的應(yīng)用前景很樂觀，盡管現(xiàn)在相關(guān)研究都還處于初級(jí)階段，但他們認(rèn)為還有更多的可能性可以探索，這項(xiàng)技術(shù)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(jī)會(huì)其實(shí)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(duì)于人類來說，不僅是脊髓，許多器官和組織的再生都是一個(gè)難題，干細(xì)胞在組織再生中起到了重要作用，也成為眾多科學(xué)家探索人體組織再生的落腳點(diǎn)。細(xì)胞治療和基因工程、生物材料，以及人工智能等技術(shù)的結(jié)合，也將賦予組織再生更多可能性。