編者按

生物可降解材料的發(fā)展為組織工程技術(shù)的創(chuàng)新提供了重要支撐，為組織工程技術(shù)的突破與臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化提供了可行性。隨著動(dòng)物體內(nèi)研究與臨床轉(zhuǎn)化研究提示，免疫源性低、生物可降解、生物相融性好以及有利于再生微環(huán)境的可降解生物材料至關(guān)重要。周圍神經(jīng)缺損與脊髓損傷致殘率高，影響患者生活質(zhì)量，給社會(huì)與家庭帶來沉重的負(fù)擔(dān)。因此，研制新型可降解生物材料介導(dǎo)的組織工程神經(jīng)，有效修復(fù)周圍神經(jīng)缺損與脊髓損傷，并實(shí)現(xiàn)神經(jīng)功能重建，一直是材料科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、組織工程與再生醫(yī)學(xué)發(fā)展的前沿與重大課題。

中國工程院顧曉松院士在中國工程院院刊《Engineering》2021年第12期發(fā)表《生物可降解材料與組織工程神經(jīng)》一文，著重介紹了生物可降解材料及組織工程周圍神經(jīng)中的生物可降解材料的研究進(jìn)展，介紹了脊髓損傷修復(fù)中生物可降解材料的應(yīng)用，并展望了未來的發(fā)展方向。生物材料科學(xué)的發(fā)展，推進(jìn)了組織工程與再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展，為了使組織工程研究更好地實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化，文章提出從源頭創(chuàng)新研究階段需考慮：①可降解材料；②干細(xì)胞或支持細(xì)胞；③生長因子或細(xì)胞因子；④細(xì)胞基質(zhì)；⑤再生微環(huán)境等組織工程構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)的五大基本要素。 

一、引言

近100年以來，生物可降解材料的發(fā)展為組織工程技術(shù)的創(chuàng)新提供了重要支撐，為組織工程技術(shù)的突破與臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化提供了可行性。經(jīng)典學(xué)說認(rèn)為，組織工程涉及生物材料、種子細(xì)胞與因子三要素。隨著動(dòng)物體內(nèi)研究與臨床轉(zhuǎn)化研究提示，免疫源性低、生物可降解、生物相融性好以及有利于再生微環(huán)境的可降解生物材料至關(guān)重要。

周圍神經(jīng)缺損與脊髓損傷致殘率高，影響患者生活質(zhì)量，給社會(huì)與家庭帶來沉重的負(fù)擔(dān)。因此，研制新型可降解生物材料介導(dǎo)的組織工程神經(jīng)，有效修復(fù)周圍神經(jīng)缺損與脊髓損傷，并實(shí)現(xiàn)神經(jīng)功能重建，一直是材料科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、組織工程與再生醫(yī)學(xué)發(fā)展的前沿與重大課題。

二、生物可降解材料

在神經(jīng)移植領(lǐng)域，“生物可降解材料”一詞是指人體接觸到體內(nèi)的流體、酸或酶后，如進(jìn)入代謝和生化反應(yīng)時(shí)，可被降解、吸收或排泄的天然或人工合成的生物醫(yī)學(xué)材料。最終，植入材料完全被新組織所替代。生物可降解支架必須滿足幾個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)，為軸突再生提供合適的環(huán)境。近年來，許多生物可降解材料被用作組織工程神經(jīng)支架材料，包括聚酯[如聚乙二醇酸（PGA）]、聚乳酸（PLA）、聚乳酸-羥基乙酸（PLGA）、聚己內(nèi)酯（PCL）、聚氨酯（PU）等。補(bǔ)充材料包括天然纖維蛋白、膠原、角蛋白、海藻酸、甲殼素和殼聚糖、絲素蛋白，以及細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）和細(xì)胞外囊泡（EV）（圖1）。

圖1. 細(xì)胞外囊泡。HSP：熱激蛋白；MVB：多泡體；TSG：腫瘤易感基因；ARF：二磷酸腺苷（ADP）核糖基化因子；CDC：細(xì)胞分裂周期；PI3K：磷脂酰肌醇-3-激酶；mRNA：信使核糖核酸（RNA）；CD：分化群。部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)載和改編自文獻(xiàn)。

細(xì)胞外基質(zhì)在構(gòu)建和維持組織再生活躍的微環(huán)境中起著極其重要的作用。作為一種可行的替代方法，ECM支架被用于組織工程的細(xì)胞和分子水平的治療。在結(jié)構(gòu)上，ECM在納米、微觀和宏觀尺度上創(chuàng)造了獨(dú)特的形態(tài)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提供了一個(gè)機(jī)械框架，允許細(xì)胞-細(xì)胞相互作用，以促進(jìn)健康組織的形成和維持。EV是天然的納米級到微米級的膜囊泡，由磷脂雙層膜包裹并由細(xì)胞主動(dòng)釋放，根據(jù)其成因、大小和結(jié)構(gòu)分為三大類組成，包括凋亡小體（apoptotic body）、微泡（microvesicle）和外泌體（exosome）。當(dāng)EV被內(nèi)化時(shí)，受體細(xì)胞對EV負(fù)載分子和基因表達(dá)產(chǎn)生反應(yīng)，其功能可能受到更改。EV可用作治療多種常見和難治性疾病的天然治療成分。同樣經(jīng)過體外修飾的EV則具備更強(qiáng)的抗炎能力及促神經(jīng)軸突再生的能力。

在組織工程軟骨再生中，納米材料的整合可以促進(jìn)支架的開發(fā)，更好地模擬軟骨的細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境，從而增強(qiáng)支架與細(xì)胞的相互作用，提高工程組織構(gòu)建的功能。該技術(shù)不僅可用于治療局灶性缺損，還可用于治療骨關(guān)節(jié)炎引起的關(guān)節(jié)廣泛退行性改變。透明質(zhì)酸（HA）及其衍生物因其獨(dú)特的化學(xué)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)，在組織工程中得到了應(yīng)用，并在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。

近年來，各種納米策略的發(fā)展為通過跨越血-脊髓屏障、傳遞治療劑治療脊髓損傷提供了新的途徑。Song等討論了納米材料的不同制備方法，綜述了近年來納米材料調(diào)控炎癥信號、靶向抑制劑、促進(jìn)脊髓損傷后軸突再生等方面的研究進(jìn)展。為了克服細(xì)胞毒性和系統(tǒng)的副作用，提供更有效的治療藥物，研究者開發(fā)了多種納米載體，使治療藥物能夠局部、緩慢、持續(xù)地被運(yùn)送到損傷部位。大量研究表明，在臨床前模型中，通過納米載體在細(xì)胞和行為水平上進(jìn)行藥物傳遞，可以在低劑量或相同劑量下達(dá)到與傳統(tǒng)方法相似的治療效果。

除了給藥，提供亞細(xì)胞納米形貌是神經(jīng)修復(fù)策略的關(guān)鍵。納米技術(shù)為延長穩(wěn)定性和穿透血腦屏障（BBB）提供了誘人的策略，同時(shí)選擇性地將營養(yǎng)物質(zhì)傳遞給病理相關(guān)細(xì)胞。納米纖維結(jié)構(gòu)支架是為了盡可能地模擬細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能特性而產(chǎn)生的。它們不僅提供機(jī)械支持，而且在細(xì)胞黏附、增殖、分化、遷移等方面發(fā)揮著非常重要的調(diào)控作用。由于神經(jīng)再生的高度復(fù)雜性，在細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)中整合多個(gè)治療靶點(diǎn)的策略構(gòu)成了更全面的方法，可能產(chǎn)生更好的治療效果。

納米技術(shù)方法可以結(jié)合起來并設(shè)計(jì)用于解決納米系統(tǒng)內(nèi)的多種疾病的病理問題。相關(guān)研究認(rèn)為納米顆粒提供了一個(gè)平臺，以良好的風(fēng)險(xiǎn)-效益比限制急性炎癥和組織破壞，從而形成支持再生和功能恢復(fù)的再生微環(huán)境。炎癥反應(yīng)典型地發(fā)生于對脊髓損傷的反應(yīng)，引起廣泛的組織損傷和損傷功能。聚合物納米粒子是在沒有活性藥物成分的情況下形成的，可以產(chǎn)生脫靶效應(yīng)。這種內(nèi)化作用使一些免疫細(xì)胞重定向到脾臟，這些細(xì)胞在脊髓損傷中數(shù)量不多。靜脈注射后，免疫細(xì)胞浸潤減少，與組織變性減少有關(guān)。此外，脊髓損傷已發(fā)展成為以再生免疫細(xì)胞表型、再生相關(guān)基因表達(dá)、軸突和髓鞘增加、功能恢復(fù)顯著改善為特征的復(fù)雜損傷反應(yīng)和允許性微環(huán)境。這些納米顆粒可以應(yīng)用于多種炎癥性疾病中。

E-A/P-CeO2具有低毒性和良好的血/組織相容性，可通過良好的腦攝取增強(qiáng)和有效的BBB保護(hù)作用有效治療腦卒中，還可以減少有害的副作用和后遺癥。最近的研究顯示了一種新的方法來改善藥物向缺血腦組織的傳遞，并建立了一種新的格列布里德制劑，這種制劑有可能轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用，以改善人類腦卒中患者的管理。文獻(xiàn)[14]提出了一種用工程化的細(xì)胞膜包裹納米粒的新方法，以靶向腦藥物。最近的研究表明，取向和剛性的電紡納米纖維支架在神經(jīng)損傷修復(fù)方面具有很大的潛力。

納米材料可用于刺激神經(jīng)生長。水凝膠與碳納米管（CNT）等納米材料的結(jié)合可以獲得所需的性能，而基于碳納米管的支架材料具有顯著的引導(dǎo)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接的能力。采用臨床相關(guān)的成年大鼠脊髓挫傷模型，通過評估巨噬細(xì)胞、血管、軸突及神經(jīng)樣細(xì)胞的存在，探討納米雜交復(fù)合物（NHC）的機(jī)械支持及其對神經(jīng)發(fā)生的影響。研究人員報(bào)道，他們的復(fù)合材料為脊髓損傷段提供了機(jī)械支撐，也提供了有利于內(nèi)源性細(xì)胞浸潤的微環(huán)境，對神經(jīng)組織的修復(fù)和生成具有重要意義。最近的研究分析了基于形狀記憶納米纖維的仿生多通道神經(jīng)引導(dǎo)導(dǎo)管在周圍神經(jīng)修復(fù)中的潛在應(yīng)用。基于形狀記憶聚L-丙交酯-co-三亞甲基碳酸酯（PLATMC）聚合物的特性，成功制備了自成型多通道神經(jīng)引導(dǎo)導(dǎo)管。成管工藝簡單快速，內(nèi)徑易于控制，滿足修復(fù)神經(jīng)實(shí)際尺寸要求。近年來，納米技術(shù)在周圍神經(jīng)修復(fù)（PNR）中發(fā)揮了巨大的作用。通過開發(fā)先進(jìn)的納米系統(tǒng)（如定向納米纖維或碳納米管）來同時(shí)解決短間隙和長間隙問題，這些納米系統(tǒng)可以引導(dǎo)和刺激軸突的正確再生長。納米醫(yī)學(xué)在PNR中的應(yīng)用進(jìn)展有望對患者的康復(fù)和生活質(zhì)量產(chǎn)生重大影響，因?yàn)樾碌闹委煵呗哉谘葑儯w現(xiàn)了納米技術(shù)與組織工程相結(jié)合的跨學(xué)科和綜合性治療策略。

三、組織工程周圍神經(jīng)中的生物可降解材料

為了協(xié)助修復(fù)神經(jīng)損傷，生物材料通常被修改和改進(jìn)。基于對文獻(xiàn)報(bào)道的器件的評估，這些器件可以分為三類：各向同性的水凝膠填料，為神經(jīng)再生提供光間支持；纖維腔內(nèi)填充物，為神經(jīng)提供腔內(nèi)地形指導(dǎo)；有圖案的腔間支架，為神經(jīng)生長提供三維結(jié)構(gòu)支持。

絲素蛋白（SF）是一種來源于天然絲的生物材料，近年來已成為組織工程應(yīng)用的重要材料。基于絲素蛋白的神經(jīng)移植物已被使用于周圍神經(jīng)再生。將來自皮膚來源的前體細(xì)胞雪旺細(xì)胞的細(xì)胞外囊泡植入神經(jīng)移植物是一種很有前景的修復(fù)周圍神經(jīng)損傷的范式。

四、脊髓損傷修復(fù)中生物可降解材料的應(yīng)用

對于生物應(yīng)用來說，考慮支架的性能是很重要的。理想的修復(fù)脊髓損傷的支架應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

（1）生物相容性。聚合物本身及其降解產(chǎn)物均不能引起炎癥或毒性。

（2）生物降解性。降解速率應(yīng)與神經(jīng)生長速率相匹配，降解產(chǎn)物最終應(yīng)可被去除。

（3）滲透性或孔隙率。合適的孔隙率為細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞黏附提供了足夠的空間，使細(xì)胞分布在整個(gè)支架內(nèi)，有利于再生。

（4）細(xì)胞黏附和生長。表面允許細(xì)胞黏附，促進(jìn)細(xì)胞生長。

（5）生物力學(xué)特性。支架應(yīng)具有三維結(jié)構(gòu)，具有相當(dāng)?shù)牧W(xué)強(qiáng)度。

隨著以微溶膠核殼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)生長因子（NGF）的持續(xù)釋放，免疫纖維支架被證明導(dǎo)致免疫細(xì)胞亞型發(fā)生顯著改變，下調(diào)急性炎癥反應(yīng)，影響瘢痕組織形成，促進(jìn)損傷部位血管新生和神經(jīng)分化，促進(jìn)Sprague-Dawley (SD)大鼠脊髓半切傷模型功能恢復(fù)。生物可降解復(fù)合無機(jī)（BHI）支架顯著提高移植人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來源神經(jīng)干細(xì)胞（hiPSC-NSC）的存活率，促進(jìn)其向神經(jīng)元分化，抑制瘢痕組織的形成。

最近的研究表明，神經(jīng)營養(yǎng)素-3（NT-3）負(fù)載的殼聚糖生物可降解材料使NT-3在生理?xiàng)l件下持續(xù)緩慢釋放14周——這一發(fā)現(xiàn)既說明了NT-3-殼聚糖具有強(qiáng)健的神經(jīng)再生作用，也說明了運(yùn)動(dòng)和感覺功能的恢復(fù)。鑒于猴子和人類的遺傳和生理相似，成功應(yīng)用于猴子脊髓損傷修復(fù)的技術(shù)很可能會(huì)被轉(zhuǎn)化應(yīng)用于人類脊髓損傷修復(fù)。

五、總結(jié)與展望

生物材料科學(xué)的發(fā)展，推進(jìn)了組織工程與再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展，為了使組織工程研究更好地實(shí)現(xiàn)在臨床轉(zhuǎn)化，我們提出從源頭創(chuàng)新研究階段就應(yīng)考慮：①可降解材料；②干細(xì)胞或支持細(xì)胞；③生長因子或細(xì)胞因子；④細(xì)胞基質(zhì)；⑤再生微環(huán)境等組織工程構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)的五大基本要素。

生物可降解材料的研究前景在于研發(fā)新一代的仿生可降解生物材料，根據(jù)當(dāng)前研究資料提示，研究材料化學(xué)成分仿生、生長因子仿生、拓?fù)湮⒓{結(jié)構(gòu)仿生、再生微環(huán)境仿生并在材料與機(jī)體（圖2）、組織細(xì)胞與材料的相互作用方面揭示規(guī)律及其分子調(diào)控機(jī)制，是發(fā)展仿生組織工程技術(shù)與臨床有效產(chǎn)品的方向。

圖2. 仿生組織工程神經(jīng)的構(gòu)建。NGF：神經(jīng)生長因子；BDNF：腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子；GDNF：膠質(zhì)源性神經(jīng)營養(yǎng)因子；CNTF：睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子。

組織工程修復(fù)周圍神經(jīng)缺損研究已有較好的進(jìn)展（表1），但是長距離神經(jīng)干缺損的修復(fù)與工程重建正有待于攻克。

表1　至少發(fā)表過15篇有關(guān)生物可降解材料和神經(jīng)組織工程的文章的機(jī)構(gòu) 

Institutions are ranked by number of publications. From 2001 to 2020, there were 1300 publications related to biodegradable materials and neural tissue engineering.

脊髓損傷修復(fù)與再生可分為生物學(xué)方法和工程技術(shù)方法，其生物學(xué)方法包括可降解生物材料、可溶性生物活性分子、細(xì)胞基質(zhì)與細(xì)胞移植；工程技術(shù)方法包括脊髓硬膜外電刺激、深部腦刺激、腦-機(jī)接口等。

全球脊髓損傷再生修復(fù)領(lǐng)域發(fā)展速度較快，從臨床轉(zhuǎn)化現(xiàn)狀來看，全球脊髓損傷修復(fù)領(lǐng)域的臨床試驗(yàn)數(shù)量較少，而且目前大多數(shù)脊髓損傷修復(fù)與再生臨床試驗(yàn)處于III期之前，臨床客觀療效有待驗(yàn)證。

生物材料、組織工程與神經(jīng)再生涉及材料科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、組織工程與再生醫(yī)學(xué)，神經(jīng)長短損傷修復(fù)與脊髓損傷的功能重建是人類醫(yī)學(xué)歷史中發(fā)展過程中的奮斗目標(biāo)，將有待于多學(xué)科的專家學(xué)者、團(tuán)隊(duì)、多領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)室技術(shù)融合、研究經(jīng)費(fèi)的代繼投入、行業(yè)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)與結(jié)合及全球化的協(xié)同創(chuàng)新，來共同推進(jìn)。

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。

改編原文：

Xiaosong Gu.Biodegradable Materials and the Tissue Engineering of Nerves[J].Engineering,2021,7(12):1700-1703.