吳培琪 洪冬純 黃思源 翁崇蓉 宋江濤 姚穎 白璐 汪校帥*

脊髓損傷是脊髓遭受外力打擊后，損傷節(jié)段以下運動、感覺功能不完全或完全喪失的一種高致殘率的損傷。近年來，脊髓損傷的發(fā)生率逐漸升高[1]，如何有效修復(fù)脊髓損傷成為當(dāng)今臨床研究的熱門課題。

脊髓損傷可分為原發(fā)性損傷和繼發(fā)性損傷。脊髓損傷后，損傷部位神經(jīng)元壞死，誘發(fā)炎癥反應(yīng)，隨后神經(jīng)膠質(zhì)細胞增生形成膠質(zhì)瘢痕，損傷部位還可形成大小不等的囊腫腔。炎癥反應(yīng)、膠質(zhì)瘢痕、囊腫腔均可抑制軸突生長，形成永久性損傷。相關(guān)研究表明，損傷后利用水凝膠進行治療，可以抑制炎癥反應(yīng)，減少膠質(zhì)瘢痕形成，減小囊腫腔體積，促進髓鞘再生等，減少繼發(fā)性損傷帶來的傷害。

水凝膠是一種具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的功能高分子材料，在吸收大量水或組織液后溶脹，具有良好的生物相容性。臨床上可利用水凝膠搭載細胞、細胞因子、小分子藥物等。在脊髓損傷的治療中，水凝膠可以模擬細胞外基質(zhì)，為神經(jīng)細胞或干細胞提供黏附位點，促進其增殖、分化，搭載細胞因子或藥物，促進脊髓損傷處神經(jīng)纖維再生，甚至恢復(fù)部分功能。

本文回顧了2015—2018 年水凝膠及其相關(guān)的細胞治療、分子治療在脊髓損傷治療領(lǐng)域的研究進展，重點關(guān)注其促進神經(jīng)元再生、抑制膠質(zhì)瘢痕增生等方面的作用，對水凝膠注射時間進行相關(guān)討論。

1 水凝膠在脊髓損傷類型中的應(yīng)用

目前，應(yīng)用水凝膠治療脊髓損傷僅限于動物實驗階段，動物模型多為大鼠，少量為小鼠和狗。在實驗過程中，研究者普遍先手術(shù)切開大鼠椎板，構(gòu)建脊髓損傷模型（全橫斷、半橫斷和挫傷），移植搭載有特定物質(zhì)（如細胞因子、多能干細胞等）的水凝膠，隨后評估其運動功能恢復(fù)情況，并取原損傷節(jié)段脊髓進行免疫組化、形態(tài)學(xué)分析等方面的研究。

1.1 搭載細胞的水凝膠

脊髓損傷可破壞原有解剖結(jié)構(gòu)，造成局部組織的缺損、壞死和瘢痕組織的形成。單純移植細胞，由于缺乏足夠的空間和有效支撐，細胞遭到擠壓破壞，生長成雜亂的細胞團，難以與周圍組織形成突觸結(jié)構(gòu)[2]。Führmann 等[3]用RGD肽和血小板衍生生長因子修飾透明質(zhì)酸甲基纖維素水凝膠。體外實驗表明，經(jīng)修飾的水凝膠可通過提高與細胞的黏附能力，促進移植細胞的早期存活和整合。此外，Caron 等[4]用3D 細胞外基質(zhì)涂覆生物材料作為載體，搭載骨髓間充質(zhì)干細胞，顯著調(diào)節(jié)小鼠脊髓損傷模型中的促炎環(huán)境，增加M2巨噬細胞數(shù)量，促進原位再生環(huán)境的形成。

Gomes 等[5]在實驗中，對小鼠的L1水平脊髓進行半橫斷，并在損傷部位注射不同物質(zhì):實驗組，注射含有脂肪組織來源干細胞（adipose tissue-derived stromal/stem cells，ASCs）和嗅鞘細胞（olfactory ensheathing cells，OECs）的GRGDS 肽修飾的結(jié)冷膠（gellan gum hydrogel）;注射ASCs 和OECs;注射GRGDS 肽修飾的結(jié)冷膠;脊髓損傷后未處理組;僅椎板切除、無脊髓損傷組。與其他組相比，實驗組的小鼠在BBB 評分（Basso，Beattie，Bresnahan Locomotor Rating Scale，BBB）中得分更高，軀體運動能力有較大改善。組織學(xué)檢查中，實驗組小鼠損傷部位的神經(jīng)絲蛋白表達水平顯著高于未處理組，并減少膠質(zhì)瘢痕形成，促進軸突再生。免疫組化結(jié)果表明，實驗組小鼠損傷部位的CD11b/c 及膠質(zhì)細胞原纖維酸性蛋白表達水平均有降低，炎癥反應(yīng)減弱。與單獨注射細胞組相比，實驗組在損傷部位觀察到更多脂肪組織來源干細胞聚集。

此外，在Raynald 等[6]的實驗中，搭載人骨髓基質(zhì)干細胞的水凝膠可通過促進軸突再生顯著恢復(fù)脊髓損傷小鼠的運動功能。

2.2 搭載細胞因子或藥物的水凝膠

Wang 等[7]以甲基丙烯酸羥乙酯-三甲基氯化銨水凝膠作為藥物遞送系統(tǒng)，向脊髓損傷部位持續(xù)釋放堿性生長因子，促進脊髓損傷后的神經(jīng)組織再生和功能恢復(fù)。此外，Zhao 等[8]合成了神經(jīng)生長因子-肝素泊洛沙姆溫敏水凝膠，顯著提高細胞對神經(jīng)生長因子的攝取效率，對脊髓損傷大鼠模型中膠質(zhì)瘢痕的形成有明顯的抑制作用。

Nguyen 等[9]研究發(fā)現(xiàn)，與僅注射水凝膠的對照組相比，搭載神經(jīng)營養(yǎng)因子-3 以及miR-222 的水凝膠可以在損傷部位持續(xù)釋放藥物和核酸分子，促進軸突再生以及再髓鞘化，促進脊髓損傷小鼠的功能恢復(fù)。

Wen 等[10]的實驗中，搭載腦源性生長因子、血管內(nèi)皮生長因子的聚乳酸乙醇酸[poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA]水凝膠混和抗Nogo 受體的抗體，通過下調(diào)Rho GTP酶的活性，降低損傷部位Rho 相關(guān)激酶以及膠質(zhì)細胞原纖維酸性蛋白的表達水平，抑制星形膠質(zhì)細胞在損傷邊緣聚集，減少膠質(zhì)瘢痕的形成。

近年來的研究證明，海藻酸鹽水凝膠可顯著減少損傷部位對側(cè)脊髓白質(zhì)的脫髓鞘化[11]，還可通過激活M2 型巨噬細胞，促進其增生，減少損傷部位炎癥反應(yīng)[12]。纖維蛋白水凝膠對內(nèi)源神經(jīng)元細胞遷移及增殖具有誘導(dǎo)作用，并可作為生物活性連接引導(dǎo)軸突生長[13]。

2 水凝膠在脊髓損傷模型中的使用時間

Hejcl 等[14]在不同時期使用帶正電荷的聚甲基丙烯酸羥乙酯樹脂（2-hydroxyethyl methacrylate，HEMA）水凝膠治療脊髓損傷大鼠模型。結(jié)果 顯示，損傷后1 周使用水凝膠較損傷后立即使用水凝膠形成的假性囊腫腔體積更小，促進神經(jīng)軸突和血管的再生與連接。

Chen 等[15]參考了Hejcl 等的實驗結(jié)果，同時考慮了生長因子的釋放時間，選定術(shù)后5 d 移植水凝膠。經(jīng)檢測，堿性成纖維細胞生長因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）在全橫斷發(fā)生3 d 后達到峰值，出現(xiàn)峰值后（術(shù)后5 d）植入搭載bFGF 的水凝膠，使bFGF 平穩(wěn)保持較高水平。實驗結(jié)果顯示，實驗組大鼠相較對照組而言，前者在BBB 運動評估系統(tǒng)中獲得更高的分?jǐn)?shù)，但并未有效減少瘢痕增生。

Tavakol 等[16]在大鼠T9節(jié)段構(gòu)建挫傷模型，術(shù)后10 d移植含層粘連蛋白基序CQAASIKVAV（CQIK）的水凝膠，并搭載人類子宮內(nèi)膜源性基質(zhì)細胞。挫傷形成后第42 d，檢測到移植上述水凝膠的大鼠在BBB 運動評估系統(tǒng)中比只注射PBS 的對照組大鼠獲得更高分?jǐn)?shù)，有效促進損傷位點的軸突再生，抑制膠質(zhì)瘢痕和炎癥的形成，促進脊髓損傷修復(fù)。

3 討論

常見的脊髓損傷模型有3 種: 挫傷、全橫斷、半橫斷。挫傷是生活中常見的脊髓損傷類型，可以在不破壞硬脊膜的情況下造成脊髓大范圍損傷并形成囊腫[17]。全橫斷模型由于局部脊髓損傷范圍大，且破壞血液運輸，增加繼發(fā)變性，影響脊髓損傷修復(fù)療效的評估，較少在動物實驗中應(yīng)用。半橫斷模型具有與健側(cè)對照的優(yōu)點，本文納入的實驗大部分都采用半橫斷脊髓損傷模型。

水凝膠作為一種新型功能高分子材料，可作為支架搭載細胞、細胞因子、小分子藥物等至脊髓損傷部位。相較于普通的細胞支架而言，水凝膠可以在原位注射，快速由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)，以適應(yīng)不同形狀的脊髓損傷位點。常用水凝膠可分為以下幾類:天然高分子類水凝膠;合成類水凝膠;經(jīng)修飾的水凝膠;自組裝肽。天然水凝膠具有良好的生物相容性，在脊髓損傷動物實驗中得到廣泛應(yīng)用。不同種類的天然水凝膠有不同的特點，如透明質(zhì)酸水凝膠可明顯減少脊髓損傷處膠質(zhì)瘢痕形成[18]，海藻酸鹽水凝膠可顯著減少損傷部位對側(cè)脊髓白質(zhì)的脫髓鞘化[11]，殼聚糖水凝膠可激活巨噬細胞，促進其增生，減少炎癥反應(yīng)[12]，瓊脂糖類水凝膠可搭載小分子藥物，維持損傷部位有效藥物濃度[19]。合成類水凝膠可根據(jù)需要對其化學(xué)結(jié)構(gòu)做出調(diào)整，使其更適宜脊髓損傷微環(huán)境。合成類水凝膠可用于搭載細胞，搭載施旺細胞的寡聚（乙二醇）延胡索酸酯水凝膠可促進脊髓損傷部位軸突再生和髓鞘形成[20]。對水凝膠進行修飾可增加水凝膠與細胞的黏附，RGD 肽修飾的透明質(zhì)酸甲基纖維素水凝膠可促進少突膠質(zhì)細胞祖細胞的早期存活和整合[3]。自組裝肽可因其交替排列的正負(fù)電荷發(fā)生原位組裝，具有良好的吸水性。RADA16-Ⅰ是常見的自組裝肽，但因其使用所需pH較低而受到限制，而基于SAP改良的納米纖維水凝膠-IKVAV/-RGD（神經(jīng)突增生肽/細胞黏附肽）在動物實驗中被證明較RADA16-Ⅰ更有效地促進軸突再生和髓鞘形成[21]。水凝膠種類多，且各有特性，研究時需根據(jù)動物實驗方案和實驗?zāi)康倪x擇相應(yīng)的水凝膠，也可根據(jù)實驗需要對水凝膠進行修飾。

Gomes 等[5]在損傷位點移植搭載脂肪組織來源干細胞、嗅鞘細胞的水凝膠，相較僅移植水凝膠的對照組而言，前者在組織學(xué)檢查和功能檢查中均有更好的表現(xiàn)。而在Elizalde-Pe?a 等[22]的實驗中，僅對損傷小鼠注射了水凝膠，小鼠運動功能未得到明顯恢復(fù)。大量動物實驗結(jié)果表明，在脊髓損傷治療中，水凝膠需要與細胞、細胞因子或藥物等結(jié)合，才能發(fā)揮顯著的治療作用。水凝膠可搭載具有分化能力或分泌細胞因子的細胞，促進血管生成，減少炎癥反應(yīng)，而搭載細胞因子、小分子藥物的水凝膠可緩慢釋放細胞因子、小分子藥物，促進脊髓修復(fù)。

總體而言，水凝膠可作為支架提供細胞黏附位點，減少細胞凋亡，促進神經(jīng)元再生; 改善局部微環(huán)境，減少炎癥細胞聚集及膠質(zhì)瘢痕形成; 持續(xù)釋放所搭載藥物或細胞因子，延長藥物作用時間。

4 結(jié)論

脊髓損傷可造成中樞神經(jīng)系統(tǒng)感覺運動功能的不可逆性損傷，脊髓損傷的救治和康復(fù)問題是醫(yī)學(xué)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。目前，改善局部再生微環(huán)境以有效支持神經(jīng)再生是治療脊髓損傷的重要研究方向。水凝膠不僅可為所搭載細胞提供支持，同時可維持所搭載細胞因子的持續(xù)局部釋放，調(diào)節(jié)細胞活動，減少炎癥反應(yīng)和瘢痕增生。

目前，水凝膠的研究仍停留在動物實驗階段，水凝膠的最佳使用時間仍有待進一步探討，如何實現(xiàn)水凝膠在脊髓損傷中的臨床轉(zhuǎn)化也是未來水凝膠研究的一個重要方向。