一副3D打印的脊髓，或可让瘫痪者重新行走

王晶

好莱坞电影《遇见你之前》的男主角原本是顶级商业收购专家和冒险运动达人，一次意外交通事故造成的脊髓严重损伤，使他头部以下瘫痪，从此只能坐在轮椅上，得一次肺炎都会轻易要了他的性命。这让他完全丧失了生的欲望，他尝试过自杀，被救回后又选择去瑞士实行安乐死，即使后来他爱上了照顾自己的女护工，都没改变这一决定。

脊髓损伤类疾病会带给人莫大的痛苦和绝望。

脊髓损伤是脊柱损伤最严重的并发症，创伤（如车祸、跌倒）、疾病或退化（如关节炎、癌症）都可能导致脊髓损伤。由于脊髓的完整性和连续性受到破坏，大脑和身体其他部位之间收发信号的细胞和神经受到损伤，患者受伤部位以下的感觉、运动、力量和身体功能会发生暂时或永久性变化，因此许多四肢瘫痪或截瘫的患者可能要在轮椅上度过余生，而他们过早死亡的几率也是无脊髓损伤者的2至5倍。

根据世界卫生组织公布的数据，全球每年约有25万至50万人遭遇脊髓损伤。以目前的医疗技术，尚无有效的治疗方法可以逆转脊髓损伤患者神经功能上的损害，针对这类疾病的预防、治疗和康复仍然是医学界的难题。

不过这种情况在不久的将来或许可以改变。今年2月初，以色列特拉维夫大学Sagol再生生物技术中心的实验团队在科学期刊《Advanced Materials》上公布了一项研究成果，他们利用人体细胞和材料人工合成了3D人体脊髓组织，并将其植入瘫痪的实验小鼠。

这是全球首次从人类细胞中培育出脊髓组织并开展移植实验，且取得了较好的结果：急性实验模型（近期或短期瘫痪小鼠）的恢复成功率为100%，慢性实验模型（长期瘫痪小鼠）恢复的成功率为80%。

脊髓损伤治疗的难点在于神经的自我修复能力有限。脊髓损伤最初发生时，造成损伤的原发性外伤会导致细胞死亡、血液屏障破坏和细胞外基质（ECM，一种影响细胞代谢、增殖和分化等功能，为细胞生存和活动提供场所的大分子网络，包括胶原蛋白和糖等物质）降解。

这个过程可能会引起继发性损伤反应，即导致一些组织的损伤并形成胶质瘢痕。受损部位周围的健康神经组织有促进组织修复的可能性，但由于瘢痕中缺乏允许细胞生长的微环境，细胞内在的再生潜力较差，所以一旦神经组织损伤被瘢痕替代，神经元就失去了再生和重新连接的机会，可能形成永久性的神经功能障碍。

目前，针对脊髓损伤治疗的代表性研究方向有神经保护、修复和再生、细胞疗法和辅助技术。这些研究的思路或试图减少进一步脊髓损害的发生，或促进脊髓内部神经元再生和训练患者中枢神经系统。其中，以细胞为基础的治疗，可以利用细胞的自我复制能力，根据细胞类型和状态等替换受损细胞，成为治疗脊髓损伤的一种代表性策略。

针对脊髓损伤的细胞治疗方式有多种，这些被植入的细胞通常来源于同种异体细胞、自体原代细胞或异种细胞。

从同种异体或异种的供体中分离部分细胞会受到供体年龄、遗传、供体不足等因素的影响，而且需要依赖患者的免疫反应来实现移植的长期效果。此外，這种方法还面临免疫排斥反应导致的未能成功分离细胞和植入等问题。

为了克服排斥的风险，自体原代细胞成为一种选择，它来源于患者自身，免疫反应小，不过由于需要在移植前对患者施行手术获取和体外扩增，成本通常较高，且从自体中枢神经系统组织获取细胞，也可能存在分离和体外分化增殖难度大的问题。

特拉维夫大学的最新研究采用了诱导多能干细胞（iPSC），它利用了基因编辑技术，也是从患者自体获得，但不局限于中枢神经系统组织，而是允许从其他组织中获取，这种体细胞可以被编程为多能细胞，然后分化为患者所需的细胞谱 系。

“我们这项技术是针对患者的特殊治疗，这种治疗的理念是完全自体的，使用的细胞和材料来源都是患者自己的组织，因此可以最大限度地降低排斥反应的风险。”Sagol再生生物技术中心研究人员、研究论文的第一作者Lior Wertheim对《第一财经》杂志表示。

他们首先从患者腹部脂肪组织中获取活检组织，这一组织由细胞和细胞外基质组成。研究人员将细胞从细胞外基质中分离出来后，使用基因工程对细胞重新编程，从而使细胞恢复到一种类似于胚胎干细胞的状态，这种细胞能够“变成”人体的任何细胞（iPSCs），也就是让其达到一种较全能状态。

随后，研究者将iPSCs封装于水凝胶（亲水的高分子聚合物）中，在3D许可的微生物环境下实行有效分化，由此模仿脊髓组织的胚胎发育，这个过程为期30天，iPSCs就能成功转化为包含脊髓运动神经元网络的3D植入物。

理论上，从患者体内提取网膜组织细胞（人类器官外部的一层“保护膜”），并将该细胞和细胞外基质分离，就可加工成水凝胶。但由于人类网膜可用性的限制，这次实验采用的是基于猪网膜的水凝胶。据Sagol再生生物技术中心负责人、这项研究的领导者Tal Dvir教授介绍，现阶段已经具备生产基于人类网膜的水凝胶的能力，不久就会采用它开展实验。

实验中所有的小鼠，接受了来自三个人的脊髓细胞植入物。对于小鼠来说，瘫痪6周相当于人类瘫痪了6个月至1年。而将长期瘫痪小鼠纳入，也是这次实验的一大突破。

以往与干细胞相关的研究更多局限于短期瘫痪的研究—短期模型通常更容易使用，但因为不聚焦于长期的永久性损伤机制，因而也无法为更多患者提供有效的治疗方案。“长期瘫患者损伤部位的胶质瘢痕已经完全发育，手术也会更加复杂，而且患者瘫痪时间更长，也可能导致组织变性，需要较长恢复时间，所以长期模型能更好地代表治疗可应用的时间框架。”Wertheim 说。

据他介绍，虽然这次实验还未发现让小鼠恢复的确切细胞机制，但在小鼠接受移植之后，从星形胶质细胞和小胶质细胞损伤网络的低表达上，可以看到明显的炎症减少，组织内部形成了一个更有利的环境，神经元的数量也明显增加。“这些表现最终转化为了小鼠更高的行为功能恢复水平。”

由于置入小鼠体内的植入物来自于人类细胞，这也意味着，在之后人类的临床实验准备中，研究者不必重新回到起点。“这种治疗最终是针对人类的，开发利用人类细胞的治疗更有意义。使用人类的细胞消除了小鼠的异种免疫反应，之后实行人类自体移植的潜力也将更大。”Wertheim表示，

随着外骨骼机器人的发展，如今已有针对瘫痪病人的外骨骼辅助机器人，通过传感器检测用户意图，再带动患肢运动，开展辅助训练，其主要作用是带着患者先动起来，以刺激神经可塑性等方式开始康复进程。

外骨骼机器人还可以继续帮助病患约束训练，用设定好的程序带动病患做出指定动作，逐渐加大动作幅度和每次训练时长。在病患恢复到一定程度后，外骨骼机器人就可以进一步辅助抵抗训练，对其运动施加反方向的阻力来锻炼患肢力量。

然而，这并不意味着病患最终可以彻底摆脱外骨骼机器人正常生活，采用这种方式目前最理想的结果，仍是病患在机器人的辅助下行动，而非彻底恢复到瘫痪前的生活状态。

Tal Dvir团队的最终目标则是帮助脊髓损伤患者重新站立甚至恢复行走的能力。

2019年，Dvir和同伴聯合创立了一家名为Matricelf的公司，负责这项研究的进一步实验和后续可能的商业化。目前，基于iPSC的相关疗法还未达到生物制品许可申请（BLA）提交市场批准的商业阶段。“公司现处于临床前的实验阶段，有希望在2至3年内进入临床实验阶段。”Dvir对《第一财经》杂志说。

Dvir的团队对这项技术未来的应用前景很乐观，尽管现在相关研究都还处于初级阶段，但他们认为还有更多的可能性可以探索，这项技术将不仅适用于脊髓损伤，也有望用于帕金森病、脑外伤和心肌梗塞等疾病。

电影《遇见你之前》中，男主最后写给女主的诀别信里有这样一句话：“知道自己还拥有机会其实是一种奢侈。”而3D脊髓打印这类前沿研究，努力的方向正是让“奢侈”成为“日常”。

对于人类来说，不仅是脊髓，许多器官和组织的再生都是一个难题，干细胞在组织再生中起到了重要作用，也成为众多科学家探索人体组织再生的落脚点。细胞治疗和基因工程、生物材料，以及人工智能等技术的结合，也将赋予组织再生更多可能性。