脊髓損傷治療方式的研究進展

劉沛昕 綜述,李兆峰,孫軍輝,秦 毅審校

(廣東省珠海市人民醫院/暨南大學附屬珠海醫院脊柱骨病科,廣東 珠海 519000)

脊髓損傷(spinal cord injury,SCI)是一種嚴重的中樞神經系統疾病,有較高的發病率及病死率,每年全球脊髓損傷新發患者約70萬例[1],而我國SCI的年發病率約50人次/100萬人,其中以不完全性四肢癱多見(55.20%)[2],發病年齡逐漸低齡化,男性的發病率是女性的2～5倍[3]。導致SCI的主要原因是交通意外和工傷事故,其次為競技類體育運動或其他運動動作失誤、火器銳器傷等。患者可出現脊髓損傷節段平面以下感覺、運動、自主神經功能的短暫或永久喪失[4],嚴重影響患者正常工作生活,給家庭帶來沉重的壓力,同時產生巨大的社會負擔。SCI的致病機制包括脊髓的機械壓迫、挫傷斷裂等瞬時原發性損傷及后期的一系列病理生理病變造成的繼發性損傷,如炎癥、細胞凋亡等[5],而繼發性損傷是進一步引起脊髓功能障礙及影響后期恢復的重要原因,使得臨床上目前的治療手段無法取得滿意的療效,而針對各類不同機制給予及時有效的干預措施是SCI治療的基礎,是當前需要醫務人員努力投身研究的醫學難題。

目前用于臨床的治療方法包括急性SCI后的外科手術、藥物和中醫治療、高壓氧等,同時新興的干細胞移植、基因工程、納米材料及腦機工程治療等通過研究證實了有效性且逐漸運用于臨床,為SCI患者康復開辟了新路徑。現就SCI的治療研究進展進行綜述。

1 手術治療

當發生急性創傷性SCI時,由于脊柱的不穩定,骨折塊移位和壓迫、血腫壓迫等可繼續加重脊髓機械性損傷,擴大其損傷范圍。病理學發現,8 h內,脊髓中央灰質出現出血壞死,脊髓周圍白質出現繼發性病變,72 h脊髓灰質完全液化壞死,少突膠質細胞凋亡逐漸增加,白質液化壞死[6],盡快對急性SCI患者行手術治療十分重要。目前傳統的手術方式主要為椎板切開減壓術,目的是解除脊髓局部壓迫。研究發現,對急性SCI早期患者進行硬脊膜切開減壓術后,患者神經電生理監測指標明顯提升,利于患者后期肢體肌肉運動功能恢復。對于脊髓廣泛性水腫和髓內出血的患者,應及時處理髓內外的機械壓迫,緩解持續壓迫導致的不可逆損傷,而硬脊膜切開術可釋放局限環境下水腫對脊髓造成的壓力,及時恢復脊髓血供,消除缺血-水腫-缺血的惡性循環,減少脊髓繼發性損傷,利于患者后期恢復[7]。有數據統計,在完全性SCI患者中24 h內行手術減壓患者可至少提升2個AISA級別的神經功能[8]。BADHIWALA等[9]隨訪發現,SCI后的24～36 h內,隨著手術時間推遲,運動恢復持續急劇下降,SCI的24～36 h后,減壓手術喪失了改善預后的能力。因此臨床上,早期手術減壓及復位固定治療急性創傷性SCI已成為臨床共識。

2 藥物治療

目前SCI的藥物治療主要目的為改善脊髓損傷區域微環境,保護幸存下來的神經元,減緩或抑制神經細胞凋亡壞死,以實現脊髓神經功能的恢復。經研究,對SCI患者神經功能恢復明確有效的藥物只有甲潑尼龍(methylprednisolone,MP)和單唾液酸四己糖神經節苷脂(asialoganglioside GM1,GM-1)[10]。與此同時,Ca2+通道拮抗劑、神經營養因子等其他藥物也被證明在SCI治療中具有一定的療效,并逐步用于臨床。

2.1糖皮質激素 以MP為代表的糖皮質激素可以抑制炎癥因子腫瘤壞死因子(TNF)-α、白細胞介素(IL)-1b及IL-1a的產生,抑制炎癥細胞活化以減少局部繼發性炎性反應,防止脊髓組織受到進一步損傷[11]。其還可以抑制脂質過氧化并減少自由基產生、增加Na+-K+依賴ATP酶活性、防止大量Ca2+內流、改善局部組織的血供[12]。由此可見,急性SCI后早期應用糖皮質激素治療至關重要。有證據表明,急性SCI患者在8 h內開始使用MP治療,23 h內分階段持續運用MP可以顯著改善患者脊髓神經功能[13]。當然,糖皮質激素的合理使用仍然存在爭議,尚未形成一致的治療方案,如延長治療尚不能完全恢復患者的神經功能,患者SCI后是否在8 h內運用MP與其后期運動評分的提高無明顯差異等,提示如何在SCI上發揮MP最大的療效需更多的臨床研究[14]。同時,沖擊療法使用大劑量激素可能導致患者的免疫功能紊亂,出現肺部及泌尿系感染,而且大劑量激素可能會引起消化道應激性潰瘍、出血等并發癥,影響患者后期康復,這些不足極大限制了其用于SCI治療,目前的相關研究主要聚焦于減少激素并發癥、發揮其最大的治療效果。

2.2GM-1 神經節苷脂是一種含有1個唾液酸分子的糖脂,多位于細胞膜上,并且大量存在于脊髓中,具有促進神經元生長發育的功能[15]。在神經節苷脂家族中,GM-1已被證明具有保護SCI后的脊髓和改善神經功能的作用[16],和神經節苷脂家族一樣具有維持局部Ca2+水平的穩定、減輕組織水腫、抑制神經細胞凋亡、減少自由基、拮抗脂質過氧化、降低興奮性氨基酸的毒性、募集神經生長因子及促進神經元再生發育的作用,并且能拮抗已產生的有毒物質,對恢復損傷部位的微環境平衡和保護神經元、神經纖維和突觸的功能也有積極作用[17],當其聯合MP靜脈注射可明顯提升患者下肢肌力及淺表感覺功能[18]。夏宇等[19]將神經節苷脂GD1a聯合神經營養因子3置于聚乳酸-羥基乙酸共聚物納米微球中,回殖SCI大鼠,發現該復合物可促進SCI周邊運動神經元及神經纖維存活,改善大鼠運動能力。由此可見,GM-1已被證明用于治療SCI的有效性,并且聯合其他藥物同步治療時可取得更好的成效。因此,恰當的聯合用藥治療SCI也是一個值得深入研究的方向。

2.3Ca2+通道拮抗劑和神經營養因子 Ca2+通道拮抗劑是臨床上常用的血管擴張降壓藥物。有研究證明,Ca2+通道拮抗劑對腦、脊髓血管具有選擇性擴張作用,可以擴張脊髓血管。進一步研究發現,其能可逆地結合與Ca2+通道相關的血腦屏障受體并降低Ca2+水平,并且可延緩Ca2+內流、抑制脊髓血管平滑肌收縮、改善受損部位的血液灌注情況、降低炎性反應強度[20]。在給SCI大鼠注射氨氯地平后其可上調細胞自噬機制,有效抑制運動神經元凋亡和脊髓空洞形成,恢復其運動功能[21]。另一項研究提示,SCI大鼠運用尼莫地平后在運動、疼痛相關行為和肢體痙攣癥狀方面有所改善,并且損傷區域和周圍神經元數量、神經膠質的增生和腰段脊髓中降鈣素基因相關肽(CGRP+)的纖維出芽及腰運動神經元K+-Cl-共轉運蛋白2(KCC2)表達的增加[22],提示Ca2+通道拮抗劑在SCI治療的臨床運用中具有其自身優勢。

神經營養因子分為內源性和外源性,其中內源性除了神經營養因子-3在脊髓發育早期表達較高外,其他營養因子的水平通常太低,無法對脊髓神經再生產生積極作用,并且SCI后局部內源性神經營養因子的缺乏也是軸突變性和神經元凋亡的一大原因[23]。近年來,應用神經營養因子治療SCI成為國內外學者的關注點,發現運用外源性營養因子可以抑制脊髓神經元凋亡并促進神經再生,再恢復患者神經功能尚取得了滿意的效果[23]。現階段最常用的外源性神經營養因子包括腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)、神經營養因子-3(neurotrophins-3,NT-3)、神經生長因子(nerve growth factor,NGF)、睫狀神經營養因子(ciliary neurotrophic factor,CNTF)、堿性成纖維細胞生長因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)、胰島素樣生長因子(insulin like growth factor,IGF)和膠質細胞源性神經營養因子(glialcellline-derivedneurotrophicfactor,GDNF)。它們已被報道可促進脊髓神經細胞存活,刺激軸突的生長,并促進患者功能恢復[24]。但是,血腦屏障的隔離作用會影響損傷區域的神經營養因子水平,需反復大劑量給藥。隨著研究的進展,使用納米材料支架聯合神經營養因子和干細胞的復合物進行SCI治療逐漸進入了醫學研究者的視野[25],為SCI的臨床治療提供了新的思路與方法。

3 中醫治療

近年來,隨著對中醫理論的深度理解、臨床運用實踐及中藥治療疾病具體分子機制的研究不斷深入,中醫治療SCI也逐漸被臨床醫生所關注,尤其在中藥單體成分研究方面取得了一定的進展。有研究指出,姜黃素能抑制SCI后神經細胞凋亡,下調膠質纖維酸性蛋白表達,抑制星形膠質細胞趨化因子過載,明顯提高SCI大鼠下肢運動能力[26-27]。在SCI大鼠模型中,運用芹黃素可通過TGFβ/SMADs信號通路降低SCI后成纖維細胞相關因子的表達,增加大鼠體內神經生長因子水平,抑制 SCI 后脊髓纖維瘢痕的形成[28]。

中醫理論認為,SCI 屬中醫學的“痿證”范疇,且與督脈密切相關。《難經·二十八難》中記載“督脈者,起于下極之俞,并于脊里,上至風府,入屬于腦。”督脈循行貫穿整個脊柱,脊髓位于脊柱中心,因而SCI實則為督脈損傷。督脈受損,則陽經氣血不能滋養四肢經絡肌肉,使四肢活動受限,畏寒肢冷。而針灸治療“痿證”具有悠久的歷史,其取得的效果已得到國內外醫學研究者的普遍認可[29]。邢英茹等[30]對SCI患者進行針灸與康復治療結合的方法進行治療,通過觀察發現早期治療患者功能獨立性評定、感覺觸覺功能及運動功能評分得到好轉。電針方面,受到懸吊運動訓練并聯合電針治療的SCI患者ASIA和脊髓電生理評價有明顯提高[29]。中醫藥以其獨特的方式治療SCI并證實了其有效性,能改善患者的神經功能,減少并發癥和提高患者生活質量。盡管中醫藥具有抑制炎性反應、促進營養因子分泌及促進再生等治療作用,但大多數機制仍是相互關聯作用而非獨立效應,并且眾多治療手段依然停留于動物實驗層面,缺乏足夠的臨床研究,進而限制其臨床上的應用和治療效果的提升[31]。因此,將中醫藥治療更好地應用于SCI及其規范化治療方案的確認需要更深入地對中醫藥治療SCI機制進行研究。

4 高壓氧治療

高壓氧治療疾病具有悠久的歷史,尤其對缺血性厭氧性疾病的治療效果顯著,因此高壓氧治療也用于SCI的治療。高壓氧可提高脊髓氧分壓,改善脊髓缺氧微環境。同時,高壓氧有許多其他功能,包括保護周圍神經組織、通過控制caspase-3表達抑制細胞凋亡、減少SCI區線粒體功能障礙、減少出血面積和水腫等[32]。MENG等[33]在研究SCI大鼠模型中發現,高壓氧治療可激活SDF-1/CXCR4軸,促進腦源性神經營養因子表達,促進大鼠SCI肢體運動神經功能恢復。TURNER等[34]通過對大鼠基因組富集分析表明,高壓氧能上調與電子傳遞,線粒體功能和氧化磷酸化相關途徑的基因并下調炎癥相關途徑[包括細胞因子和核因子κB(NF-κB)]和凋亡信號相關基因。在臨床研究中,脊柱骨折伴隨SCI的患者在術后規律行高壓氧治療,其AISA評分、感覺功能明顯提高[35]。并且,高壓氧聯合傳統康復訓練治療同樣可以提升SCI患者的恢復效果,改善生活質量[36]。高壓氧作為一種SCI臨床輔助治療的重要手段,聯合其他治療方式往往可以發揮更大的治療效果,可進一步改善患者的愈后。

5 干細胞移植

SCI后脊髓灰質神經元凋亡壞死,白質神經傳導束的脫髓鞘及斷裂導致神經功能障礙,由于神經元的不可再生性和受傷后局部微環境的抑制作用,使得脊髓神經損傷難以恢復。近年來,基于干細胞移植的脊髓神經元再生逐漸進入臨床工作者的視野,目前常用于移植的細胞是骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)、神經膜細胞和嗅覺去鞘細胞[37]。其中最受矚目的是BMSCs,相比其他細胞,BMSCs具有來源多、取材方便、可塑性強和增殖力高、低免疫原性及可在宿主內長時間存活等優勢[38]。SAITO等[39]在2008年應用 BMSCs于人SCI的臨床治療試驗,發現患者的神經功能獲得改善。

與此同時,BMSCs還以它能分泌相關外泌體而聞名,BMSCs外泌體具有免疫原性低、穩定性高等優勢,相比間充質干細胞更易穿過血腦屏障和血脊髓屏障,而外泌體中除了蛋白質、脂質等還有大量的miRNAs。miRNAs是一種內源性小非編碼 RNA,是轉錄后水平基因表達的負調節因子[40]。并且,越來越多研究證明了SCI的病理生理過程涉及相關特異性的miRNAs[41]。有研究發現,SCI大鼠的BMSCs外泌體中miR-338-5p的過表達顯著增加了神經絲蛋白-M和生長相關蛋白-43的表達,而糖蛋白和膠質纖維酸性蛋白,可在急性SCI后提供神經保護作用,同時下調靶基因Cnr1的表達而增加cAMP,激活基因Rap1,進而激活PI3K/Akt途徑抑制了神經細胞凋亡[42]。另一項研究證明,BMSCs外泌體內傳遞的miR-23b能靶向結合toll樣受體TLR4,抑制NF-κB通路的激活,緩解局部炎性反應,防止神經元進一步受損,提供良好的神經修復條件,進而提升SCI大鼠的神經功能[43]。BMSCs可分化為神經元、膠質細胞,替代受損細胞。同時降低釋放的促凋亡因子水平,抑制細胞凋亡及炎性反應。并且它能釋放促進突觸再生與延長的營養因子,如BDNF和NGF,促進神經細胞存活和神經纖維的延長、軸突和髓鞘的再生,提供相對穩定的修復環境[44]。毋庸置疑,干細胞治療SCI具有光明的前景,動物實驗顯示了滿意的結果。但是,動物模型通常采用“量身定制”標準化方案進行,無法模擬具有突發性及隨機性損傷部位的人類SCI,其臨床試驗仍停留于Ⅰ/Ⅱ期,沒有確切的標準治療方案,缺乏大型Ⅲ期臨床試驗。由于局部微環境,移植的干細胞存活率低,存活的細胞大多分化為神經膠質細胞[45]。隨著技術的發展,讓干細胞移植在臨床上能真正獲得滿意的成效仍任重道遠。

6 納米材料

納米材料治療SCI旨在獲得提供神經細胞定向生長的標準化和功能化結構。越來越多的研究在開發用于制造三維納米支架的技術,此類支架可作為患者神經再生的物理支持,有助于更好地植入細胞和利于細胞生長的營養因素[46]。納米技術可以制造控釋納米顆粒和納米纖維,材料可以設計成納米尺寸,因此它能模擬神經組織的結構。另一方面,該技術能運用組織工程來封裝并控制藥物的時空釋放。這些納米元件提供了一種指導神經細胞行為的方案,誘導神經元生長,進而提高細胞存活率并減少炎癥。目前用于SCI研究的有膠原蛋白、透明質酸、殼聚糖、明膠、瓊脂糖、藻酸鹽、纖維蛋白及聚-ε-己內酯等合成聚合物等[47]。其中,纖維蛋白有較好的生物相容性、可塑性、靈活性,能促進神經元再生及延緩膠質細胞堆積,框架內的營養因子可提升干細胞存活率并增加神經纖維的密度[45]。又如聚酯材料的代表聚丙烯延胡索酸酯,結合膠原及神經營養因子3可促進SCI受損區神經元和軸突再生[48]。LI等[49]研發了間充質干細胞聯合神經營養因子3的絲素蛋白涂層明膠海綿支架,移植后其框架內的干細胞逐步擴散,明顯抑制SCI后的局部炎性反應,阻止神經元進一步壞死。另一方面,3D打印技術的運用也促進了納米材料參與疾病治療的發展。劉曉云[50]利用羥丁基殼聚糖一納米短纖維、透明質酸和基質膠3D打印制作神經干細胞脊髓仿生支架,結合神經干細胞移植SCI大鼠,發現大鼠SCI部位神經元再生、膠質瘢痕沉積減少等,明顯改善大鼠后肢運動功能。由此可見,納米材料應用為臨床和神經科學實驗提供無數的可能性,但在SCI治療方面仍處于研究的早期階段,是值得關注和研究的新路徑。

7 腦機接口技術

腦機接口技術,指運用神經生理學、計算機學和工程學原理,實現人腦和計算機驅動器之間及其他機械設備建立實時雙向連接,可追溯至1950年代,歷經幾十年的發展在多個領域得到應用。其中在SCI截癱患者中,通過研究分布式神經回路在機體行為中的動態生理特征,可以運用計算機解析腦電信號,刺激相對應的神經肌肉以達到SCI患者肢體運動功能的恢復,或通過計算機驅動機械假肢或模擬驅動器實現截癱患者重獲上下肢運動功能,從而獲得一定生活自理能力[51]。DONATI等[52]運用機器人下肢矯形器對慢性截癱患者行長達12個月行走模擬訓練,患者肢體感覺及運動能力明顯改善。SAMEJIMA等[53]根據相關分析算法,通過頸椎SCI大鼠感覺運動皮層中的多通道局部電勢場解碼了前肢運動模式,使用小型板載計算機解碼信號刺激硬脊膜,實現了大鼠前肢自主運動功能的恢復。盡管腦機接口技術在SCI后患者康復方面擁有其獨到優勢,但因植入物及計算機硬件的兼容性、設備技術水平、治療費用到患者精神類等藥物使用和精神疾病的干擾等,限制了該技術在臨床上的廣泛應用[54]。同時實驗大多停留于早期動物實驗探索階段,或個別患者的臨床試驗。需要更多相關臨床研究來對此治療方式的可行性加以驗證。

8 小結與展望

當前,SCI的發病率仍呈現逐年增加的趨勢,且發病年齡也明顯年輕化。由于SCI致病機制的復雜及多元性,臨床上仍主要是采用早期手術減壓及激素等藥物控制繼發性損害。隨著醫學科學技術的不斷發展和臨床研究的不斷深入,對SCI的致病機制有了更加深入系統的了解,已經從微觀角度揭示SCI的潛在致病機制,以分子水平了解各機制之間相互關系,嘗試多維度、多角度指導臨床治療實驗和應用。目前新興的治療手段如干細胞移植、納米材料應用和腦機科學等,已在實驗中證明其治療SCI有一定效果。與此同時,中醫藥也在逐步顯現治療SCI的獨特優勢,可在協助患者功能康復方面發揮有效作用。盡管對SCI機制的認知及治療方式已取得一定的突破性進展,但目前已有的治療方法對SCI仍有一定局限性,對于SCI患者功能恢復還存在不足,而且新材料應用、新技術使用大多仍然停留在實驗階段,能否在臨床上廣泛使用并發揮作用依然需要進一步深入開展臨床研究驗證。因此,深入開展聯合用藥探索、醫工交叉融合、中西醫結合康復、干細胞移植等在治療SCI實驗室和臨床研究,尋找安全、有效、可及的治療方案,促進更多患者的康復,將是臨床工作者為之努力的方向。