神经引导导管在周围神经损伤修复中的应用

曹文瑞，鲁手涛，刘黎明，袁坤山，张海军，2（通信作者）

1 生物医用材料改性技术国家地方联合工程实验室 （山东德州 251100） ；2 同济大学医学院介入血管研究所 （上海 200072）

周围神经损伤具有很高的发病率，全球每年有超过500万例周围神经损伤（peripheral nerves injuries，PNI）新发病例[1]。急性创伤引起的PNI会导致患者的运动功能完全丧失和肌肉麻痹，上肢桡神经和下肢腓神经是最常受伤的神经[2]。周围神经一般通过尝试再生对损伤的神经进行修复，然而创伤性损伤导致的PNI修复仍然是一项艰巨的临床挑战。对于长间隙神经修复，自体神经移植仍然是最佳临床选择。在理想条件下，自体移植物修复周围神经损伤的效果较好，因为其天然的物理结构可充当再生模板，并且其生化环境由施万细胞和支持修复的神经生长因子组成[3]。但自体移植往往会导致供体神经部位功能丧失，并且需要多次侵入性手术，导致感染风险增加；另外，在需要大量供体组织的严重情况下，可用的自体移植物是有限[4]；同时，当移植物太厚并且血管再生无法到达移植物的中心时，或当移植物太大并且周围的脉管系统不能向整个移植物提供足够的营养和氧气时，会导致神经功能修复不良[5]。为了满足大间隙修复的临床需求，解决自体神经移植的限制，基于组织工程的神经引导导管（nerve guidance channel， NGC）开始发展起来，该方法通过植入天然、合成或半合成生物材料的NGC来治疗损伤。NGC主要是管状构造，其可以是空心的或在其腔内填充其他生物材料支撑结构，NGC被设计用于桥接损伤部位并为周围神经的再生提供物理模板。目前，由合成或天然聚合物制成的NGC已成为自体神经移植物的替代物，许多NGC已经成功地桥接周围神经间隙并支持神经再生[4]。

1 NGC的分类

NGC是最有希望实现大间隙神经修复的治疗方法，理想的NGC具有良好的生物相容性和降解性，允许营养物质进入导管保证细胞的生长，又可以及时排除代谢废物。目前NGC的材料分为生物型材料和非生物型材料，生物型材料有肌肉、静脉、羊膜等，均具有良好的生物相容性，但是生物材料存在缺血后管壁塌陷、再生不良、增生及粘连等问题；非生物型材料有硅胶、聚四氟乙烯管等，均具有良好的塑形性，不易塌陷，但非生物型材料不能被生物降解，容易发生异物反应及慢性神经压迫等并发症[6]。因此，理想的NGC材料应该将生物相容性和降解性完美的结合在一起。生物降解型材料有人工合成材料、胶原等。目前NGC材料已经趋于成熟，很多学者通过对NGC结构的改进和表面改性来提高NGC的有效性和安全性。

2 NGC结构的改进

目前具有改进结构组成的NGC方面取得了重大进展，改性的NGC具有良好的神经修复性能，科研人员在仿生设计、构架改造、表面改性方面做出了许多努力。

2.1 仿生化

仿生方法已成功用于管状构建体的开发，主要原理是利用细胞外基质和其基底层的生物材料形成具有机械特性的形状来模仿周围神经[7-9]，这些生物材料来源于天然哺乳动物，例如来自牛腱或小牛皮的胶原蛋白、壳聚糖等[10]。

20世纪80年代，胶原蛋白作为NGC的生物材料开始用于治疗神经损伤患者[11]。胶原蛋白是哺乳动物中发现的最丰富的蛋白质，在各种组织中细胞外基质的结构维持中起着重要作用，具有良好的生物降解性能和生物相容性，因此，胶原蛋白可用于模拟外周神经的结构组成，提供合适的支持构架，便于施万细胞的迁移、轴突的再生和体内组织的形成。Deister等[12]研究了由层粘连蛋白、纤维连接蛋白、胶原蛋白和透明质酸制成的共凝胶培养背根神经节的神经突，结果显示由天然聚合物（如胶原蛋白和层粘连蛋白）组成的水凝胶能够促进周围神经损伤的再生。Schuh等[13]研究了纤维蛋白和胶原蛋白的新型混合物是否可用于形成工程化神经组织，结果发现90%胶原蛋白和10%纤维蛋白混合物能够增加施万细胞活力，与具有更高和更低纤维蛋白含量的制剂相比，90%胶原蛋白混和10%纤维蛋白的混合物能够促使体外神经突向外生长，在使用8 mm胶原蛋白-纤维蛋白导管的大鼠坐骨神经模型中的体内实验显示，修复后神经的远端部分中的轴突计数显著增强。因此，这种优化的胶原蛋白-纤维蛋白混合物提供了一种提高周围神经损伤后再生能力的新方法。

壳聚糖具有优异的抗菌活性、生物力学、生物相容性、无毒性、生物降解性和非抗原性，已广泛应用于组织工程和神经再生的各个领域[14]。然而，壳聚糖导管对神经再生的影响仍不如自体移植物好，因而难以满足临床要求。因此，改进壳聚糖导管以进一步适应NGC的性能是必要的。Li等[15]采用圆柱形聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）印章和自制模具，通过简单的微模塑和冻干工艺共同制造具有微图案内壁和无缝侧壁的壳聚糖导管，所制备的具有微图案内壁的壳聚糖导管可显著促进大鼠10 mm间隙坐骨神经的再生。

2.2 3D拓扑结构

周围神经系统主要由高度有序的轴突束组成，是具有管状或棒状形状的3D结构，因此，修复周围神经需要3D拓扑结构以便于于引导细胞定向生长[16]。

对NGC构架进行适当的改造，往往可以增强NGC的修复效果。最初由于技术限制，只允许在宏观级别对NGC进行改造。Yao等[17]利用多通道胶原基管状构建体修复大鼠坐骨神经缺损，研究显示通道数量明显影响修复成功率，胶原基管状构建体对轴突再生具有很好的支持作用，同时还能够恢复神经再支配。尽管与空心单腔导管相比，腔内引导通道形式的修改可以减少轴突分散，但宏观腔体结构不能提供细胞特异性拓扑结构以引导施万细胞迁移和轴突生长。

随着更先进的制造技术的出现，NGC架构已经能在微观尺度上进行改造。微尺度修饰具有通过增加施万细胞迁移效率或轴突生长来增强细胞水平修复的能力。Lundborg等[18]将8根聚酰胺长丝（直径250 μm）作为管腔填料置于硅胶管（内径1.8 mm）内，用于桥接大鼠坐骨神经的损伤间隙（15 mm），结果发现含有8根聚酰胺缝线的硅胶管能够跨越间隙后再生，显示出小间隙修复特性。Ribeiro-Resende等[19]开发了具有纵向排列的微孔胶原基腔填充物的管状构建体，在体内成功地修复了大鼠坐骨神经中的15 mm间隙，与中空管状构建体相比具有更好的神经修复能力。

纳米工程材料灵活性较好，使用纳米工程材料在设计神经系统的再生导管时具有极大的吸引力。B é duer等[20]设计了PDMS的非细胞毒性的深度微表面结构，其具有各种宽度的微通道，研究表明尺寸等于或小于神经祖细胞胞体（≤20 μm）的表面图案化会形成优异的细胞排列并且可以限制每个细胞的神经突数量，从而最大化神经突长度。Wieringa等[21]研究检查了纳米脊宽度（500～2 000 nm）对神经排列的影响，发现在这个长度范围内，神经细胞对脊宽度相对不敏感，所有图案化基底都能够引导细胞与未对齐的基板对准。具有多个纵向通道和腔内地形的NGC用于桥接由创伤性损伤引起的神经缺损时效果显著增强。Chang等[22]通过将螺旋NGC与内纳米纤维和外纳米纤维管组合，实现了神经再生的显著改善，将其用于修复大鼠坐骨神经损伤，能够明显观察到坐骨神经再生，这表明具有内部排列的纳米纤维并用外部纳米纤维管包裹的新型螺旋NGC为周围神经再生提供了比标准管状NGC更好的神经修复环境。该研究结果将有利于未来的NGC设计，以优化周围神经再生的组织工程策略。此外，合适的蜂窝取向对于神经损伤修复也起着至关重要的[23-24]。Lee等[24]使用RGD-缀和的聚脲和聚己内酯的混合物，设计了类似于蜂窝结构的具有排列的纳米纤维的腔内微通道组成的NGC，使用10 mm坐骨神经横断大鼠模型来评估在神经横断和导管植入后8周的导管的功效，结果显示，与自体移植物相比，NGC的电生理活动的恢复得到显著的改善。Chang等[25]通过将对齐的纳米纤维和神经营养物质梯度结合到多通道支架中来开发结合这种拓扑和营养特性的人工NGC，结果表明，神经干细胞沿对齐的纳米纤维结构扩展其神经突，细胞密度和神经突长度沿着神经营养梯度支架从低浓度区域到高浓度区域增加。

2.3 表面改性和修饰

层粘连蛋白和纤连蛋白是两种基底层蛋白，由于其能够与施万细胞结合，故在外周神经的发育和修复中都具有至关重要的作用[26]。Cao等[27]将胶原支架与层粘连蛋白交联以构建双功能生物支架，然后将该支架填充在硅胶导管中并在大鼠坐骨神经横断模型中进行测试，结果表明，该功能性材料可以指导轴突生长，促进神经再生和功能恢复。Ding等[28]将纳米银嵌入具有轴向取向的微管（直径20～80 μm）的胶原支架，在微观的内表面均涂有层粘连蛋白或纤连蛋白，以验证修复大鼠10 mm周围神经缺损的有效性，研究表明该支架有助于轴突再生。de Luca等[29]将聚己内酯膜水解和氨解以改变具有不同官能团的表面并改善亲水性，结果显示水解薄膜可保持表面形貌的同时亲水性也显著增加，在氨解的情况下也观察到聚己内酯膜的机械性能的显著降低；此外，他们用施万细胞进行体外实验以评估膜生物相容性，短时间实验表明，改性薄膜上的细胞附着情况得到改善，特别是当材料表面存在氨基时，细胞增殖显著增加，这表明表面处理对于施万细胞的生长是必需的，还证明细胞形态受物理化学表面性质的影响。聚己内酯可用于制造人造导管，并且内腔的化学改性提高了生物相容性。

丝素蛋白（silk fibroin，SF）是生物医学领域中有前途的天然生物聚合物，具有良好的生物相容性、生物降解性和机械柔韧性。Wang等[30]将SF与（聚1-丙交酯 - 共-ε-己内酯） [Poly（1-lactide-co-epsilon-caprolactone），P（LLACL）]混合并制备SF/P（LLA-CL） NGC以构建大鼠的节段性神经，结果表明，将SF纳入NGC可以获得更好的神经恢复效果。Zhang等[31]通过交联排列的SF纤维与具有再生功能SF溶液构建具有排列纤维取向的高强度SF支架，以引导神经元生长，通过SF纤维与再生SF溶液之间强烈的蛋白质-蛋白质界面结合，能够增强机械性能，从而制备出高强度的支架，施万细胞和背根神经节神经元可以随着支架的均匀取向而迁移，将甲钴胺加载到对齐的SF支架，激活蛋白激酶，通过甲基化循环促进神经突生长和神经元存活；此外，甲钴胺负载的对齐SF支架显示出良好的生物相容性，炎症细胞也随着时间延长而减少。

3 总结与展望

PNI患者逐年增加，患者生命质量受疾病影响严重。目前，自体移植物仍然是修复神经损伤的最佳选择，为了满足大间隙修复的临床需求，解决自体移植物的限制，科研工作者将致力于NGC的研究并将其作为自体神经移植物的替代物。理想的NGC需要具有适当的机械强度和适当的柔韧性，它可以指导神经生长，能够为神经再生提供良好的微环境、空间和营养物质等。构建与神经结构类似的仿生结构及模拟神经再生的微环境，构建出复合型NGC以支持更长距离神经缺损修复，将是以后发展方向。