作者：郭宇恬，龚芷宁，高钰，周敏，张永杰，南京医科大学

世界范围内每年由于安全事故、跌倒等原因造成脊髓损伤（spinal cord injury，SCI）多达760,000 例。SCI 可导致患者的感觉、运动和自主神经功能的降低或丧失，严重影响患者的生活质量，也给家庭和社会带来了巨大的经济负担。

既往研究已证实多种生长因子可保护神经组织、促进轴突再生和髓鞘化、减少瘢痕形成，在SCI和损伤后的组织再生阶段均起重要作用。然而由于血-脊髓屏障的存在，传统给药方式（如口服或静脉给药等）无法实现生长因子向SCI 局部的有效扩散。水凝胶作为输送系统可以搭载生长因子实现原位给药，保护生长因子不被降解，同时对其进行缓释。此外，水凝胶还可起到支架作用，填充SCI后的空腔。本文重点回顾与综述在脊髓继发性损伤和组织再生的不同时期，运用水凝胶搭载生长因子治疗SCI的研究进展。

1. SCI不同时期的特点

脊髓原发性损伤期后，首先进入急性继发性损伤期，一般从SCI 后2 h 持续至48 h。这一时期的特点主要是神经炎症，持续出血、水肿和炎症，可导致脊髓组织大量坏死。同时伴随各种反应事件，如兴奋性毒性、代谢紊乱损伤、缺氧和缺血。此过程涉及多种细胞类型，如中性粒细胞、小胶质细胞、巨噬细胞、星形胶质细胞、树突状细胞、B淋巴细胞和T淋巴细胞，以及多种细胞成分，如细胞因子和前列腺素等。因此，在急性继发性损伤期，可以采用有助于减轻炎症对神经细胞损伤的生长因子进行治疗，例如胶质细胞系衍生的神经营养因子（glialcell-derived neurotrophic factor，GDNF）等。

亚急性继发性损伤期一般是指从SCI后48 h 持续至2 周左右，此阶段的主要特点为：神经元凋亡、轴突脱髓鞘、瓦勒变性、轴突重塑和胶质瘢痕形成等特征。自噬是介导细胞死亡的一个主要过程。自噬可通过自噬体和溶酶体分解胞内多余的蛋白质和细胞器。在此期间，自噬体和溶酶体的异常激活将导致细胞快速死亡，因此使用水凝胶搭载生长因子抑制过度自噬可促进SCI 恢复。在SCI 后2～10 d，坏死细胞已被吞噬，细胞逐渐进入增殖、替换阶段。

因此，除了抑制自噬，此阶段的治疗性研究主要围绕促进残存组织的修复和细胞再生而展开。组织重塑在脊髓原发性损伤1 周后开始，主要表现为新血管的形成及功能性星形胶质细胞和周细胞的出现。此阶段如果选用一些能够穿透血脊髓屏障的水凝胶搭载生长因子进行治疗，在促进血管重建再生、神经保护和神经再生方面表现出很好的效果。

许多生长因子都有抑制瘢痕形成、保护神经元的功能，例如碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）、血小板衍生生长因子（platelet-derived growth factor，PDGF）等。慢性继发性损伤期开始于SCI 后2 周，此阶段的主要特点为：囊腔形成、神经胶质瘢痕的成熟和神经再生。持续的凋亡反应可引发脊髓组织囊肿，囊肿导致约1/3 的SCI 患者出现脊髓空洞症。搭载生长因子的水凝胶可以在脊髓空洞中起到支架作用。

星形胶质细胞形成的胶质瘢痕一方面能够把炎症与完好的脊髓组织隔开，保护正常组织免受炎症侵害，但同时也阻碍了神经元轴突的生长与突触的形成。慢性继发性损伤期开始出现神经再生，包括新轴突的萌芽和生长、轴突的伸长以及神经细胞髓鞘再生。神经干细胞和神经祖细胞可以分化为中枢神经系统的3 种主要细胞：神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞。在此阶段使用能够促进神经再生的水凝胶搭载生长因子策略，同时应注重减少SCI 后反应性星形胶质细胞的增生与聚集。

抗炎肽（KAFAK）、脑源性神经营养因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF）、神经生长因子（nerve growth factor，NGF）、成纤维细胞生长因子4（fibroblast growth factor 4，FGF4）等生长因子能够很好的在这一阶段发挥作用。壳聚糖等水凝胶也已被证实有利于促进功能恢复和组织再生。

2. SCI不同阶段的治疗进展

2.1 急性继发性损伤期

急性继发性损伤期的特点为：血管损伤、离子失衡、兴奋性毒性、自由基产生、钙内流增加、脂质过氧化、炎症、水肿、坏死等。这种级联反应所产生的细胞因子可进一步加剧SCI 的程度，机体也会启动多种机制来尽量清除这些细胞因子，以减轻组织损伤。

神经胶质细胞可释放GDNF减轻上述损伤对神经元的损害，作用机制包括：①抑制毒性氨基酸的释放；②抑制钙离子超载；③抑制超氧自由基的释放；④抑制细胞凋亡；从而减轻这些继发性病理损害。已有实验证明，若用肝素泊洛沙姆（heparin poloxamer，HP）水凝胶搭载GDNF，再使用水凝胶复合体培养PC12 细胞时，实验组细胞活力达（78.0±3.0）%，远高于对照组及GDNF 溶液组，并且实验组细胞神经轴突的长度为（60.0±3.0）μm，明显长于其他组别。HP 水凝胶复合体释放的GDNF还可以使PC12 细胞免受氧化损伤。

此外，在SCI初期的治疗，还可以激活各类细胞以吞噬坏死组织碎片。Caron 等用3D细胞外基质涂覆生物材料作为载体，搭载骨髓间充质干细胞，通过旁分泌效应在受伤部位募集更多的巨噬细胞。与未治疗的受伤小鼠相比，在用人骨髓间充质干细胞（human mesenchymal stem cells，hMSCs）治疗的小鼠中可以观察到M2型相关转录物精氨酸酶Ⅰ增加约10倍，有利于组织重塑。

2.2 亚急性继发性损伤期

自噬介导的细胞死亡是亚急性继发性损伤期出现神经元凋亡、轴突脱髓鞘、瓦勒变性的重要原因。有研究表明，bFGF能够通过抑制过度自噬促进SCI 恢复。为了进一步提高bFGF在SCI 中的治疗效果，Zhang 等设计了1 种搭载bFGF 的海藻酸钠水凝胶系统，该系统能够持续释放bFGF并通过调节PI3K/Akt/FOXO1/KLF4 通路抑制自噬激活，显著降低SCI 诱导的自噬标记物LC3-II、Atg5、Beclin1 的表达水平，有助于SCI 后血-脊髓屏障完整性的恢复和运动功能的恢复。

内皮祖细胞、成纤维细胞、炎症细胞、神经胶质细胞、神经祖细胞在此阶段促进了残存组织的修复和细胞再生。星形胶质细胞则参与了疤痕的形成。肝素水凝胶常被用于调节纤维蛋白类生长因子释放，从而有助于组织的修复和细胞再生。Willerth等用肝素-纤维蛋白水凝胶搭PDGF治疗SCI 小鼠。

采用实时RT-PCR检测细胞标记物，包括Sox2（神经祖细胞）、MAP2（早期神经元）、PDGF Rα（早期少突胶质细胞）和波形蛋白（星形胶质细胞）。结果显示只有在含有PDGF的传递系统的支架中观察到Map2 和PDGFαR的表达水平增加，证实该系统能够促进细胞的再生和增加细胞活力。

Fei Huang 等使用聚乳酸共乙醇酸[poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA]作为BDNF 封装的载体。然后用单宁酸（Tannic acid，TA）修饰所产生的微球。将由葡聚糖和透明质酸组成的多糖基水凝胶与TA改性微球混合，形成最终的BDNF@TA-PLGA/Dex-HA 水凝胶。使用定量RT-PCR 分析神经元的表达水平。通过免疫细胞化学方法显示神经元特异性Ⅲ类β-微管蛋白。结果显示，相比不加入BDNF的纯水凝胶组，BDNF@TA-PLGA/Dex-HA 水凝胶更能促进神经干细胞的增殖，提高神经轴突的生长能力。

此外，在特性实验中，HP水凝胶在室温下呈现液态，在正常体温下，HP水凝胶可以转变为三维网络结构。从体外和体内研究来看，NGF-HP 水凝胶通过抑制SCI 后反应性星形胶质细胞的产生来减少神经胶质瘢痕的形成，作为星形胶质细胞的指标，研究了胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP），以进一步评估NGF-HP 水凝胶对神经元存活的保护作用。与SCI 组相比，用NGF治疗的组显示病变部位周围的GFAP 染色密度显著降低。

同时，NGF-HP 水凝胶还通过减少反应性星形胶质细胞分泌促进轴突再生，并抑制轴突再生蛋白（如硫酸软骨素蛋白多糖和胶原纤维酸性蛋白），因此在SCI 急性期，可用NGF-HP水凝胶以加速SCI修复进程。

当前研究显示，人类专能干细胞衍生的外泌体可增强小鼠SCI 后的功能恢复，并显著增加损伤中新形成的血管数量。另外，也有学者在此阶段选择联用NGF 与bFGF 治疗SCI。bFGF可诱导损伤后血管生成，有利于为神经细胞提供氧气和营养物质，NGF能够促进轴突与髓鞘再生和突触的可塑性。它们对于神经与血管再生有重要作用，能够增强血管-神经相互促进再生。

然而，由于两者均为生物大分子，难以通过血脊髓屏障，且易被降解。HP 水凝胶对各种生长因子具有高亲和力，能以稳定的方式释放生长因子，且能在合适的温度下原位凝胶。有实验将和NGF加入HP 载体后，组成NGF-HP 缓释系统，不仅降低了给药频率，而且还能维持NGF和长时间的缓释，从而持续治疗SCI。结果显示，NGF-HP 在促进血管重建再生、神经保护和神经再生方面表现出很好的效果。

2.3 慢性继发性损伤期

在慢性继发损伤期，以囊腔形成及神经胶质瘢痕的成熟和神经再生为特征。搭载生长因子的水凝胶可以在脊髓空洞中起到支架作用。除了可注射外，填充空腔的水凝胶还需要允许轴突生长，并与周围组织兼容。天然透明质酸（hyaluronic acid，HA）和甲基纤维素（methyl cellulose，MC）等成分经过物理混合制备成HAMC水凝胶具有良好的生物相容性，是一种很有前途的候选物。Austin 等已经证明了在脊髓空洞症大鼠模型中，鞘内注射HAMC水凝胶与对照组相比能够使平均病变面积减少约32%。

He 等进一步将抗炎肽KAFAK 和BDNF 包埋于HAMC水凝胶中，注射至损伤区域。术后8 周实验组的囊腔体积为（1.52±0.19）mm3，显著小于HAMC 组和SCI 组[分别为（4.58±0.33）mm3和（5.87±0.42）mm3，P＜0.05]，表明与周围组织整合良好；且实验组中观察到损伤区域轴突的延伸，高密度轴突在病变区内为（57.42±5.38）%，病变周围500 μm 为（64.55±5.91）%，而SCI 组[病变内（24.53±2.56）%，病变周围500 μm处（33.23±3.08）%染色]，与之相比显著增加，有利于损伤后神经功能的恢复。

SCI 后，星形胶质细胞沿着受损组织边缘增殖聚集，随后这些新增殖的星形胶质细胞迁移并形成瘢痕边界，一般在SCI 后2～3 周内完成。在去除胶质瘢痕的同时，也要注意减弱炎症反应。纳米纤维-水凝胶复合材料（nanofiber-hydrogel composite，NHC）水凝胶已被证实可通过激活M2 型巨噬细胞，促进其增生，实验组大鼠SCI 过程中的M2/M1 比率明显升高，从而减少损伤部位的炎症反应。

并且有实验表明NGF-HP水凝胶对胶质瘢痕的形成有显著抑制作用，在SCI 后28 d，NGF-HP 水凝胶组的GFAP阳性细胞数量明显低于其他组（P＜0.01），且与对照组（对照组动物接受了相同的手术程序，但血管夹对脊髓的嵌塞没有影响）之间的星形胶质细胞增生差异不明显。

因此，NGF-HP 水凝胶复合体可以阻止GFAP阳性星形胶质细胞在病变部位的积累，减少SCI后反应性星形胶质细胞的增生与聚集。研究表明，多种生长因子联合治疗，能促进神经细胞的增殖和分化。神经丝200（neurofilament 200，NF 200）是在支持成熟神经元轴突细胞质的细胞骨架中发现的中间产物。NF200表达分析表明，SCI 治疗14 d 后，VEGF/PDGF 100 ng/mL 治疗组的NF200 表达率最高，为（87.5±10.84）%，而单独施用PDGF或血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）100 ng/mL 的治疗组，NF200 表达率均在50%左右。

同样，VEGF/PDGF 100 ng/mL 组的成熟少突胶质细胞表面特异蛋白（oligodendrocyte specific protein，OSP）表达最高，为（90.8±6.4）%，明显高于施用单一生长因子时的表达率。因此VEGF/PDGF联合使用相对于其他生长因子和联合使用，比各自单独使用时更能促进神经细胞的增殖和分化。有其他研究表明，VEGF不诱导细胞增殖，但影响神经干细胞分化，单独使用VEGF不利于细胞增殖和细胞健康。

这可能是因为在当前的研究中，VEGF治疗没有进行足够长的时间以使细胞显示完全的效果，或者细胞可能需要补充生长因子来在VEGF 显示其效果之前启动改变，而PDGF可以提供上述问题的解决方案。PDGF单独作用，可诱导神经干细胞分化和细胞数量增加，在神经元分化和少突胶质细胞成熟中发挥作用，在神经元损伤动物模型中也具有神经保护作用。

VEGF/PDGF 在高浓度下的生长因子组合显示出最佳结果，表明生长因子相互补充，相互促进，显示出协同作用。在慢性继发性损伤期，神经元轴突再生的同时我们还应该关注髓鞘的再生。髓鞘再生可促进神经元的存活与维持动作电位的功能。FGF4 是一种强大的生长因子，可以调节SCI 后微管稳定来刺激神经元轴突和髓鞘再生。

然而，作为一种大分子蛋白，FGF4 穿透血脊髓屏障的能力较差。因此，通过皮下或静脉注射给予FGF4 在SCI 中几乎没有效果，而Lap/Hep@FGF4 凝胶递送系统可实现FGF4 的局部释放，显著增加髓鞘再生能力。罗克沙尔坚牢蓝（Luxol fast blue，LFB）染色用于验证髓鞘破坏程度，研究人员在第28 天进行罗克沙尔坚牢蓝染色以研究Lap/Hep@FGF4 凝胶对髓鞘破坏和髓鞘再生的影响。结果表明：Lap/Hep@FGF4 治疗组中的LFB 染色率约为90%，高于Lap/Hep 与游离FGF4 组（约60%），远高于SCI组（不足60%），表明FGF4 负载的凝胶对髓鞘恢复产生显著影响；此外，研究人员还通过免疫印迹法检测各组髓鞘碱性蛋白（myelin basicprotein，MBP），结果表明Lap/Hep@FGF4 组MBP相对值最高，约为1.5（规定sham 组MBP值为1），高于Lap/Hep 与游离FGF4组，远高于SCI 组（约为0.5），这进一步证实了LFB 染色结果，表明了搭载FGF4 的Lap/Hep 水凝胶可以显著提高FGF4 在SCI中促进髓鞘再生的作用。

壳聚糖是一种天然材料，在以前的SCI 研究中已被用于促进功能恢复和组织再生。有实验将固定化生长因子（iIFN-γ和iPDGF-AA）掺入HAMC水凝胶填充的壳聚糖基导管中，并首次在脊髓半横断大鼠模型中进行测试。壳聚糖用于在细胞接种的水凝胶植入物上形成外导管作为覆盖物。这种覆盖物是防止循环免疫细胞流入的有效屏障，同时也有助于使生长在近端到远端方向上对齐。

实验将神经干细胞（neural stem cells，NSPCs）与填充脊髓半间隙的不稳定分化因子一起植入多通道壳聚糖水凝胶中，目的是改善和引导整个损伤的轴突再生，并最终恢复运动皮质的功能。对SCI区域的测量和分析显示用NSPCs固定化IFN-γ导致最小的损伤尺寸（0.33±0.06）mm2，与不治疗组（1.30±0.42）mm2相比，能诱导最多的再生和/或保留。

3. 总结与展望

SCI 是一种对人体损害极大的创伤性疾病，探索可行的治疗方法愈发成为一个严峻的挑战。已有研究显示在SCI 的不同时期，运用水凝胶联合生长因子的治疗策略无疑是一种极具潜力的方案，具有减轻SCI 后的炎症反应、抑制SCI 诱导的细胞自噬、减少囊腔的的形成等作用。此外在组织再生的不同阶段使用水凝胶搭载生长因子能够通过调节炎性环境、抑制胶质瘢痕形成、促进血管重塑等功能，从而更好地促进神经组织再生。

SCI 的各种治疗方法均具有各自的优势和局限性。目前，水凝胶联合生长因子治疗SCI 的研究尚未明确该方案的副作用与适应症、禁忌症等，并缺乏实验证明单次治疗与重复治疗的疗效差异。在大多数小动物实验中，治疗时间一般不超过2 个月，无法预测长时程治疗的疗效是否会改变。

此外，SCI 治疗还面临着许多挑战，例如：如何防止相关的级联事件的发生？如何根据特定的需求在众多生长因子中选择恰当的生长因子以及相应的水凝胶？如何更加精细地控制输送生长因子的剂量？如何更加精确地控制水凝胶的可降解性？这些都是需要不断探索的问题。尽管如此，水凝胶联合生长因子治疗SCI 的前景还是值得大家期待的，以水凝胶为载体输送生长因子治疗SCI 仍会是未来SCI研究的关注热点所在。

来源：郭宇恬,龚芷宁,高钰,等.水凝胶搭载生长因子在脊髓损伤后不同阶段的研究进展[J].神经损伤与功能重建,2025,20(06):340-344.DOI:10.16780/j.cnki.sjssgncj.20230462.

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