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由于神經(jīng)系統(tǒng)損傷后會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)退行性的改變，因此神經(jīng)組織的修復(fù)顯得尤為重要。在這篇文章中，作者總結(jié)了可注射水凝膠用于神經(jīng)組織再生和修復(fù)的研究進(jìn)展，包括體內(nèi)實(shí)驗(yàn)和體外實(shí)驗(yàn)。

一、神經(jīng)系統(tǒng)介紹

神經(jīng)系統(tǒng)包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)和周圍神經(jīng)系統(tǒng)，其主要功能是用來(lái)監(jiān)視和控制人體絕大多數(shù)的自動(dòng)活動(dòng)。該系統(tǒng)在神經(jīng)退行性疾病，如帕金森、阿爾茲海默癥、創(chuàng)傷性損傷等，發(fā)生時(shí)造成神經(jīng)元的損傷是不可逆的，即疾病期間受損的神經(jīng)元其增殖和再生能力相對(duì)較差，這也反映了神經(jīng)系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)局限的系統(tǒng)。

中樞神經(jīng)系統(tǒng)的再生能力受到神經(jīng)系統(tǒng)疾病的影響，這是因?yàn)檫@些神經(jīng)系統(tǒng)疾病會(huì)引起一系列級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致繼發(fā)性神經(jīng)元變性和死亡，因此可為患者提供的治療方案相對(duì)局限。臨床上需要針對(duì)這些問(wèn)題開(kāi)發(fā)相應(yīng)的新的治療策略。神經(jīng)組織工程作為一個(gè)多樣化的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，其結(jié)合了計(jì)算神經(jīng)科學(xué)，臨床神經(jīng)病學(xué)，生物材料科學(xué)和納米技術(shù)，可從新角度解決神經(jīng)系統(tǒng)疾病面臨的困境。

二、用于神經(jīng)系統(tǒng)再生的水凝膠支架

水凝膠是一個(gè)多孔的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于其聚合物結(jié)構(gòu)上連接有多個(gè)親水基團(tuán)，例如羥基、胺基、羧基等，因此具有較高的含水量（如圖所示）。在水凝膠的空間內(nèi)可以包含分子（如藥物或生物活性化合物）和其他溶劑（PBS緩沖液），可以用于如組織工程，傷口愈合和遞送藥物。此外，水凝膠的特點(diǎn)是具有相互連接的聚合物網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)能夠大量吸收水而不分解其結(jié)構(gòu)。

圖. 水凝膠的結(jié)構(gòu)：A 理想網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；B 可能的纏擾結(jié)構(gòu)；C 水凝膠的網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)

水凝膠具有高的孔隙率、合適的孔徑大小、彈性、生物相容性，以及可調(diào)節(jié)的物理、化學(xué)和生物特性。其中，可注射水凝膠作為一種生物材料可以以液體的形式注射進(jìn)入人體，在體內(nèi)隨著溫度的變化而凝固成為固化的水凝膠。

三、可注射水凝膠修復(fù)神經(jīng)組織

周圍神經(jīng)損傷的常規(guī)治療方法包括使用自體神經(jīng)移植，但該方案需要手術(shù)治療，并受到供體限制、神經(jīng)功能喪失和疤痕形成的影響。利用組織工程可以制備一款神經(jīng)導(dǎo)管，其具有柔性的生物力學(xué)結(jié)構(gòu)、良好的生物相容性，同時(shí)可以模擬周圍神經(jīng)的細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境。

通過(guò)相關(guān)的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，可注射水凝膠對(duì)于神經(jīng)系統(tǒng)的恢復(fù)有較大的潛力（表1）。

表. 用于周圍神經(jīng)損傷的可注射水凝膠

原表. 用于周圍神經(jīng)損傷的可注射水凝膠

示例1

團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款可注射的殼聚糖移植物——充滿神經(jīng)生長(zhǎng)因子的透明質(zhì)酸水凝膠，它可以在生理pH條件下凝膠，且凝膠時(shí)間隨著殼聚糖與透明質(zhì)酸摩爾比的增加而降低。這款水凝膠顯示出82%-87.12%的連續(xù)多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且平均孔徑在42.19-73.53 µm之間。當(dāng)水凝膠吸收至合適的水濃度時(shí)，其顯示值介于13-18 w/w之間，在56天的培養(yǎng)孵育時(shí)間內(nèi)，神經(jīng)生長(zhǎng)因子的釋放曲線大約為70%和98%。將RSC96施旺細(xì)胞置于水凝膠中培養(yǎng)3天，發(fā)現(xiàn)有更明顯的細(xì)胞數(shù)量增長(zhǎng)（相比于對(duì)照組）。此外，載有神經(jīng)生長(zhǎng)因子的水凝膠增強(qiáng)了細(xì)胞粘附和增殖能力。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，手術(shù)后的小鼠在行走和手術(shù)側(cè)的腿部與手術(shù)前相比沒(méi)有顯著變化，且坐骨神經(jīng)功能指數(shù)表現(xiàn)合適，也說(shuō)明了小鼠運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。

下圖中顯示了大鼠植入神經(jīng)導(dǎo)管1和3個(gè)月后取出的示意圖，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)組，即含有可注射透明質(zhì)酸-殼聚糖的神經(jīng)因子的神經(jīng)導(dǎo)管，相比于對(duì)照組對(duì)神經(jīng)纖維數(shù)量和成熟度上有更強(qiáng)的誘導(dǎo)性，且3個(gè)月組中神經(jīng)纖維的生長(zhǎng)分布更加均勻。

圖. A）大鼠植入神經(jīng)導(dǎo)管1和3個(gè)月后取出的橫截面，紅色箭頭顯示神經(jīng)纖維。(a–d)：自體移植組；(e– h)：聚（D，L-乳酸）/β-三磷酸神經(jīng)導(dǎo)管組；(i – l）：聚（D，L-乳酸）/β-三磷酸神經(jīng)導(dǎo)管/透明質(zhì)酸–殼聚糖組；(m-p)：聚（D，L-乳酸）/β-三磷酸神經(jīng)導(dǎo)管/透明質(zhì)酸 -  殼聚糖/神經(jīng)生長(zhǎng)因子組。B）再生的髓鞘纖維的軸突直徑。C）再生的髓鞘的厚度。D：再生神經(jīng)纖維的直徑。E）再生的髓神經(jīng)纖維密度。數(shù)據(jù)通過(guò)單向方差分析ANOVA，其中p <0.05*

示例2

團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了由甲基丙烯酸化明膠組成的可注射水凝膠，這些水凝膠載有血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子/模擬肽納米脂質(zhì)體，通過(guò)紫外線將其交聯(lián)。體外實(shí)驗(yàn)：將PC-12和RSC96細(xì)胞接種到水凝膠中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)孵育的3天內(nèi)細(xì)胞顯示出較高的活力（高于80％）。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)：作者評(píng)估了大鼠神經(jīng)再生過(guò)程中的新血管化過(guò)程，結(jié)果顯示植入7天后有微血管密度顯著增加（66個(gè)微血管/視野），同時(shí)發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)利于血運(yùn)重建的關(guān)鍵血管遺傳標(biāo)記（HIF-1α和VEGFR2）。下圖顯示了手術(shù)后第28天的再生神經(jīng)的橫截示意圖，結(jié)果表明在可注射水凝膠的使用下再生神經(jīng)截面沒(méi)有明顯的壞死或疤痕組織產(chǎn)生，且受損神經(jīng)有適當(dāng)?shù)妮S突和髓鞘再生。

圖. 手術(shù)后第28天再生神經(jīng)的中間橫截面。A）蘇木精-伊紅(HE)染色，B）Luxol染色，C）S100和Neu Rofilement-200的免疫熒光染色，D）髓磷脂堿性蛋白質(zhì)和βIII小管蛋白的免疫熒光染色，E）再生的神經(jīng)纖維的切片，F(xiàn)）再生神經(jīng)纖維橫截面的TEM圖像，G）TEM觀察的髓鞘厚度，（H）從TEM觀察的再生的軸突纖維直徑。p <0.01 ** ，p <0.001***

示例3

團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種載有黑磷納米片和扎羅汀的殼聚糖水凝膠，通過(guò)365 nm的紫外線照射進(jìn)行交聯(lián)，水凝膠是平均孔徑在80至160 µm的多孔水凝膠。體外實(shí)驗(yàn)表明該水凝膠在對(duì)PC12細(xì)胞孵育培養(yǎng)7天后，能明顯促進(jìn)細(xì)胞的生存和分化能力。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，使用該水凝膠后，大鼠的后肢運(yùn)動(dòng)功能得到明顯恢復(fù)，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)足跡得到驗(yàn)證。下圖顯示，植入水凝膠的實(shí)驗(yàn)組中大鼠遠(yuǎn)端神經(jīng)上的微管相關(guān)蛋白2和巢蛋白標(biāo)記物染色較明顯，說(shuō)明其遠(yuǎn)端神經(jīng)保持正常的功能和活性。

圖. 水凝膠植入促進(jìn)神經(jīng)再生。A）大鼠縱向脊髓切片的免疫組織熒光圖像；B）巢蛋白的定量分析，C）MAP2的定量分析，D）不同組的VEGF和CD31的蛋白質(zhì)表達(dá)，E）水凝膠釋放藥物促血管再生的方案。*p <0.05，*** p <0.001，**** p <0.0001

四、小結(jié)

注射水凝膠是神經(jīng)組織修復(fù)的潛在生物材料，其具有多種優(yōu)勢(shì)，如多孔性、交互性、與神經(jīng)組織相似的機(jī)械性、生物相容性等。在本文中，主要介紹并討論了注射用水凝膠在周圍神經(jīng)和脊髓損傷修復(fù)中的的最新進(jìn)展。