文摘
脊髓损伤(SCI)是一种中枢神经系统(CNS)相关疾病的治疗但没有成功。在过去的几年里,细胞疗法已经探索了SCI修复,包括使用人类干细胞多能性,和许多adult-derived干细胞和间充质干细胞等成熟细胞,嗅鞘细胞和雪旺细胞。虽然有前途,细胞移植通常是推翻穷人细胞生存治疗脊髓损伤。另外,不同细胞的治疗作用已被嫁接细胞用于组织工程方法与生物材料。后者身体上模仿中枢神经系统组织的优势,同时促进一个更宽松的环境对细胞生存、生长和分化。细胞和生物材料的角色疗法作为SCI的单一治疗方法修复综述将讨论。此外,作为科学的多因子的抑制环境表明,组合方法会更有效,使用生物材料作为细胞载体的重要性将在此强调,以及这些有前途的工具的最新进展和成就神经组织再生。
1。介绍
科学是一种毁灭性的疾病,常常会导致永久性的功能和神经赤字在受伤的人。中枢神经系统的自发再生能力有限,主要是由于病变部位抑制周围环境的建立和一个密集的疤痕组织的形成,影响轴突再生和脊髓的功能恢复1- - - - - -3]。
SCI的年发病率据报道是25.5每百万(例4),平均年龄为31.7岁(5]。此外,它的流行范围从236每百万在印度1800每百万在美国(6]。SCI的主要原因是机动车事故,sports-associated事故,瀑布,和暴力伤害7]。
受伤的严重程度由五级(a e)准确地转达了美国脊髓损伤学会(亚洲)损伤(AIS)。伤害的严重性评估后,病变广泛被认为是完整或不完整(8,9),与患者不同的临床意义(如瘫痪、感觉丧失、棘手的疼痛,压疮,和尿/其他感染)(5,8]。这产生巨大的情感、经济和社会影响的病人和他们的家属。
病理生理学的SCI有助于这种脆弱状态的扩展。机械损伤脊髓立即触发级联的细胞和生化事件导致病变的进展。血管中断和广泛的细胞死亡是主要的损伤而导致的一些创伤后的变化(1,10]。作为回应,一组次生事件发生。炎症环境建立了巨噬细胞、中性粒细胞和白细胞招募以白细胞细胞碎片和防止进一步的不受控制的组织损伤3,11,12]。从几天到几周,在受伤部位形成一个充满液体的囊肿,周围主要由反应性星形胶质细胞胶质疤痕。这些细胞分泌一些抑制蛋白质如硫酸软骨素蛋白聚糖(GSPGs)和轴突生长抑制剂(12,13),从而防止轴突再生和remyelination沿着脊髓。尽管胶质瘢痕的作用是稳定,最终保护受损的脊髓,它很大程度上瘫痪脊髓长途功能再生(14),导致建立慢性损伤。
不幸的是,仍然没有有效的临床治疗SCI,除了一些临床尝试为病人提供复苏。最近看过的席尔瓦et al。14),最通常的程序依赖外科技术,包括手术减压和脊柱的进一步稳定,以及药理干预措施。研究了几种药理代理人在这种情况下(15),高剂量甲基强的松龙(MP)管理治疗急性SCI作为一个选项。然而,它的功效是非常有限的由于严重的副作用14,16]。因此建议给患者只知道证据表明有害的副作用比任何可能的临床利益一致17]。
近年来,基于组织工程和再生医学的方法已经被提议作为替代SCI /再生修复。在过去的几十年里,细胞疗法已经强调了SCI再生(18使用生物材料),以及工程方法。如今,生物材料与细胞移植的组合也被广泛地探讨在科学的范围。在这种背景下,生物材料预计将稳定病灶部位,而直接交付的细胞,并且提供一个适当的环境,受伤组织的再生。已经提出几种类型的细胞和生物材料的发展前途SCI的再生策略。因此,本文的目的是解决最近的进步,这两种方法。讨论这些治疗的潜在SCI再生将是起点,之后的贡献生物材料发展的更有效的细胞疗法也将讨论。
2。细胞治疗SCI修复
针对发展中成功的治疗科学治疗,某些细胞群的移植到受损区域一直是最常用的再生方法。备选方案中,基于干细胞的移植已经收集的关注在过去的15年19- - - - - -23]。大多数时候使用干细胞的分化潜能(24- - - - - -26];然而他们也显示能够提供大量的信号分子,包括抗炎细胞因子和生长因子。这些可能调节的抑制环境科学,同时增加了居民的营养支持细胞(27- - - - - -32]。到目前为止,来自不同来源的干细胞已经被测试的能力促进神经再生和恢复神经电路集成在受伤的网站(14,33]。
2.1。胚胎干细胞
SCI再生的细胞群提议之一是胚胎干细胞(ESCs) [34),被分化成所有胎儿细胞谱系(24),因此被视为多能。
ESCs的能力分化成神经胶质细胞在体外文化系统已经广泛使用不同的策略探索。维甲酸(RA)和胚状体的身体——(EB)协议被用来诱导神经分化的ESCs的文化,导致神经元基因表达的激活一个复杂的系统提供的神经元就像细胞(35),生产少突胶质细胞,能产生髓磷脂神经元髓鞘形成的文化(19]。另一种方法,包括使用的特定因素在鼠标的ESCs文化中,被发现有效的直接细胞分化为多巴胺和血清素激活的神经元36,37]。使用细胞培养媒体专门定义的ESCs致力于神经的命运也是一个替代方法(38]。特别感兴趣的是ESCs的基因修改的可能性,为了获得神经precursors-enriched文化(38,39]。
ESCs-based方法是否适合SCI治疗也被调查的脊髓损伤模型。Keirstead et al。34移植神经干细胞(nsc)获得鼠标ESCs成鼠脊髓,诱导胸SCI后。大多数移植细胞存活、迁移远离损伤部位,并显示优先分化为少突胶质细胞和星形胶质细胞34]。不过,诱导ESC-derived少突细胞祖细胞移植到退化脊髓被发现有助于remyelination主机轴突。在同一篇报道中,动物电动机性能的改善移植也描述(19]。最后,ESC SCI患者的临床应用开始通过第一阶段临床试验提供的Geron的公司在2011年。一群胸完成亚急性SCI患者的移植与predifferentiated少突细胞前体细胞来源于人类的ESCs安全性研究。不幸的是,Geron的计划流产后在那一年40]。然而,到目前为止没有安全问题是在五个病人报告提交的ESCs移植。
2.2。诱导多能干细胞
最近,另一种类型的多能干细胞,称为诱导多能干细胞(iPS细胞或细胞则),成为一个可能的替代方法来获取干细胞直接从成人组织的自体移植。万能技术因山中开发的先驱工作的实验室在2006年在日本,显示四个转录因子的引入又分化成熟细胞的表型多能干细胞(41]。则往往ESCs相比,他们有着类似的特征,如多能性、自我更新能力,和基因表达42,43]。此外,潜在的收购异常分析和基因扩增与畸胎瘤的形成也是一个两细胞类型之间的共同特征(42,43]。然而,万能干细胞分化为神经血统发生在较低的频率比的ESCs [44]。
这一事实则可以直接从成人组织提供了一个无限供应的自体的细胞,这可能是用于生成移植免疫排斥反应的风险。然而,安全问题等相关的肿瘤形成之前应该确定他们的临床应用。因此,它是至关重要的仔细测试则致瘤性(42,45]。符合这一点,赵et al。21)提出了一个关于“诱导多能性”细胞免疫原性的研究在活的有机体内。畸胎瘤的形成分析被用来显示有效的细胞则形成畸胎瘤在老鼠中,与一个强大的免疫排斥的细胞(21]。在2013年晚些时候,荒木等。46]试图复制得到的结论赵和他的同事们使用不同的过程。通过移植细胞嵌合体来自克隆的细胞则和一只老鼠胚胎小鼠,很少或根本没有免疫原性观察反应(46]。
虽然这些最近的报告强调了万能的陷阱技术,其他人支持的疗效则作为科学治疗也积累的蜂窝系统。例如,人类iPSC-derived neurospheres (hiPSC-NSs)幸存下来,迁移,分化成三个主要神经移植后血统nonobese diabetic-severe联合免疫缺陷(NOD-SCID) SCI模型老鼠。移植细胞之间的突触的形成和主机老鼠神经元被提拔,以及神经营养因子的表达,血管生成,轴突再生和髓鞘形成的受伤部位。因此,有一个改善的功能活动hiPSC-NSs-grafted老鼠,没有肿瘤形成(47]。最近,一个临床前研究调查了移植的治疗潜力preevaluated神经干细胞/祖细胞(NS / pc)克隆来自小鼠和人类(iPSC-NS / pc)的细胞则为非人类灵长类动物模型contusive SCI (26]。类似于之前的研究,移植细胞存活和分化成神经元,星形胶质细胞,少突胶质细胞,没有肿瘤形成的证据。此外,有一个增强在轴突的再生和血管生成在病变部位和病变的预防中心脱髓鞘。在治疗结束时,观察动物SCI后的功能恢复(26]。然而,更多的临床前研究尚未执行,为了研究万能的真正潜力和安全,之前临床设置。
2.3。神经干细胞
另一个细胞群可能对SCI研究成人多功能nsc [27),尤其吸引人的中枢神经系统由于其起源。这些细胞已经被证明生成三个主要的哺乳动物中枢神经系统的神经细胞谱系文化(25]。因此他们可以假设允许替代损伤后脊髓神经元的丢失,对星形胶质细胞分化,恢复nonneuronal preinjured脊髓的环境,或向少突神经胶质,允许remyelination [27]。事实上,先前的研究已经证实了这一理论。nsc为SCI模型的移植成年大鼠脊髓撞伤导致神经元迁移的生产长途吻侧和尾,与观察到的功能改善(48]。宫颈contusion-induced SCI在灵长类动物,在体外扩大人类神经干细胞祖细胞(NSPCs)嫁接后九天受伤,被证明存活并分化成神经细胞系。此外,有蛀牙程度减少受伤,以及显著增加移植的动物的自发运动活动的20.]。此外,轴突脱髓鞘NOD-SCID小鼠创伤SCI后被remyelinated移植的人类中枢神经系统细胞生长在骨料(hCNS-SCns)。这些细胞也分化成神经元表现出与东道国神经元突触形成的能力(49]。最近,据报道,胎儿nsc移植到完整的大鼠脊髓横断网站导致异位殖民地的形成两个月后细胞移植。这些殖民地被发现传播宿主中枢神经系统的广泛区域,不断增殖在几个的神经细胞谱系类型(23]。
在其他的研究中,nsc促进轴突再生的能力是与神经营养因子的分泌27]。第一个在体外,然后在活的有机体内发现,内在生长因子的生产由国家安全委员会支持广泛的主机轴突的生长,这是已知敏感这些因素(27]。此外,它是观察到的基因改造nsc改变整个轴突的反应。例如,诱导neurotrophin-3 (NT-3)生产nsc大大扩展主机沿着损伤轴突的生长和渗透网站(27,50]。
实验基础工作关于nsc基于手机疗法显示承诺在SCI后修复受损的细胞和组织,最终导致人类应用这种治疗的尝试。符合这一点,干细胞Inc .公司(瑞士)建立了世界上第一个临床试验在脊髓受伤的人类使用这些细胞(51]。2011年,该公司启动了I / II期临床试验旨在评估安全性和初步疗效的一个净化人类胎儿神经干细胞移植(HuCNS-SC),用于治疗慢性胸SCI,完整和不完整的伤害。研究了7个患者完整的伤害(AIS)和五个不完全损伤患者B (AIS)。细胞直接注入他们的脊髓,他们暂时免疫抑制。临床更新报告总共8的12名患者参加临床试验。对于AIS患者,有显著的增长具有重要的感官功能四个病人。关于AIS B科目,两三个患者显著提高感官知觉,第三保持不变的(51]。
2.4。间充质干细胞
在过去的十年中,间充质干细胞(52)(msc)也一直在SCI再生细胞策略的前沿。首次描述这些细胞在骨髓Friedenstein和他的同事(53]。他们主要的特点是能够坚持塑料在文化,发展成成纤维细胞的集落形成细胞(CFU-F),分化成成骨细胞、脂肪细胞和内层在体外(53- - - - - -55]。
可用性的优点之一msc与其他细胞相比,因为他们可以找到在多个组织(56- - - - - -59]。此外,msc隔离(可以方便的完成60),在不增加任何道德或政治问题。
msc作为中枢神经系统药物的疗效相关的不同的理论,从移植效率当注入身体54)分化为神经表型。后者实际上是研究在体外,骨髓msc (BM-MSCs)被发现推定地分化成neuron-like细胞和神经胶质细胞(52),而在活的有机体内,作者发现BM-MSCs能够跨血脑屏障(BBB迁移1),在中枢神经系统,分化成microglia-like细胞(61年]。尽管有这些发现,这仍然是一个有争议的话题。事实上,它更有可能与他们相关联的msc潜力是营养活动(28,29日,55,62年,63年]。msc分泌的生物活性分子和/或microvesicles-their secretome-which认为调解旁分泌和自分泌msc活动(29日,62年]。检查参与组成分泌腺在应对受伤,可能支持受损组织的修复和再生抑制局部免疫反应(64年),加强血管生成和抑制疤痕和细胞凋亡65年)(图1)。
这些结果支持msc移植的多因子的角色在中枢神经系统组织和细胞。关于这个主题的更多细节,可以发现其他地方28,30.]。
SCI的治疗,不同的策略已经被考虑。虽然有些仅集中在移植msc的损伤部位,其他检查参与组成分泌腺的管理更感兴趣在同一地区为了支持生存和增殖的细胞。关于msc移植的,静脉注射(66年- - - - - -68年)和皮下(68年)提出了注射,以及直接喷射在损伤部位69年]。msc移植的细胞和粒细胞集落刺激因子(g - csf)动员68年,70年)或鞘内导管传递(67年,71年还探讨了。在所有这些研究作者报道SCI后功能恢复。另一方面,研究关于检查参与组成分泌腺msc的使用也显示出不错的效果。例如,条件培养液(CM) BM-MSCs提升生存和神经突的海马神经元的产物在体外(72年]。在另一项研究中,脂肪干细胞(对asc)和人类脐带血管周的细胞(HUCPVCs) CMs所示增加海马神经元生存和代谢活动(73年]。最近,检查参与组成分泌腺的HUCPVCs还发现增加细胞活力,增殖,神经细胞密度在皮质和小脑神经元文化(74年]。其他在体外和在活的有机体内研究显示类似的结果(75年- - - - - -77年]。
msc应用到科学的临床试验已被广泛研究,在msc生物安全相当了。在I / II期临床研究中,自体BM-MSC移植和骨髓刺激巨噬细胞集落刺激因子(gm - csf)用于治疗完成SCI (78年]。同样,移植的体外扩大自体msc试点工作也用于临床研究(79年,80年]。目前,在急性和慢性植入自体BM-MSCs SCI在颈椎和胸椎水平用于I / II期临床试验(67年]。尽管90%的急性颈椎损伤患者都有了明显的改善,只有轻微改善被发现在慢性病人。然而,一个更大的组患者需要评估这种疗法的疗效。单核细胞移植科学治疗,也可用于替代BM-MSCs,因为它被证明有类似的效率在活的有机体内(81年]。事实上,自体的临床安全性和初级有效性数据BM-derived单核细胞对SCI已经研究了I / II期临床试验涉及外伤性截瘫()、创伤性四肢瘫痪()和nontraumatic脊髓脊髓病()[82年]。在这项研究中,这些细胞被交付通过腰椎穿刺和3个月定期随访研究旨在分析神经系统和运动的改进,以及安全参数,比如治疗时间窗,CD34 +细胞计数,性别和年龄的影响。在研究结束时,神经状态观察改善SCI患者的三分之一。此外,治疗的结果只是影响:(1)损伤和治疗之间的时间;和(2)的CD34 +细胞数量是注射82年]。
根据这些发现,msc为SCI regeneration-based策略可能同样强大的工具。
2.5。神经胶质细胞
其他成熟细胞的可能作用在SCI再生过程引起了调查人员的注意。为此,包括神经胶质细胞嗅鞘细胞(近年)和雪旺细胞(SCs)探索了在过去的十年。
2.5.1。嗅鞘细胞
近年是放入鞘中嗅觉轴突的神经胶质细胞,在pn和中枢神经系统的主要部分嗅觉通路(83年),负责嗅觉的成功再生轴突的整个生命周期中成年哺乳动物(84年]。这些细胞有高度可塑的表型,一大部分原因要归咎于coexpressing星形胶质细胞的表型特征和SCs85年]。根据这一理论,人们相信他们可以从一种类型转换到另一个根据他们的需求,或合并的角色当移植到受伤83年,85年]。
乍一看,细胞移植近年似乎是一个奇怪的选择。哺乳动物嗅觉系统的独特之处在于支持轴突产物从外围神经细胞体的嗅觉上皮进入CNS嗅球,一生中(86年]。此外,SCs-specific表型的表达特性,近年导致假设这些细胞促进增长和轴突的髓鞘形成在成年哺乳动物的中枢神经系统。最初的研究启发近年移植到中枢神经系统是由Ramon-Cueto Nieto-Sampedro [87年]。近年被嫁接到背根的入口区postdevelopmental中枢神经系统。移植细胞能够促进断掉的背根的再生,这很有趣,因为这是一个地区通常背根再生不发生(87年]。这些发现之后,大量研究证明的有效性近年在支持nonolfactory中枢神经系统轴突生长和remyelination。证据显示的能力近年髓磷脂背根神经节(DRG)神经元在体外首先由多赛特和德文吗在体外coculture系统[83年,88年]。DRG探明的髓鞘形成这些胶质细胞显然是观察和类似的过程SCs周围轴突髓磷脂(83年]。随后,近年被发现能够remyelinate轴突在活的有机体内由富兰克林et al。89年)和Imaizumi et al。90年]。在这些研究,近年被移植到一个x-irradiated退化地区的成年大鼠脊髓。这些细胞remyelinated移植后存在的轴突(89年),和远程附近发现的细胞注射部位,表明广泛迁移近年整个病变(90年]。此外,remyelinated轴突显示改进的传导速度和频率特性的属性,与动作电位进行在一个更大的距离到病变(90年]。
虽然近年支持中枢神经再生的有效性是广泛研究和清楚地显示,一些负面报道。在第一行的证据反对这个想法,植物等。91年)显示,近年从成年老鼠没有神经突DRG的髓磷脂。近年未能表现出如此描述“Schwann-like”的髓鞘形成模式。相比之下,“平曲折的过程”,近年观察环绕DRG探明[91年]。后来,这些细胞的修复能力挫伤脊髓的损伤评估。移植后,近年施加一个贫穷的影响在轴突和髓鞘形成产物,以及动物的后肢功能恢复(92年]。
作为结论,人们普遍认为近年可以创建一个宽松的环境,轴突再生SCI在充满敌意的环境中。虽然这是相关的,由几个作者,神经胶质细胞的能力,支持轴突生长和remyelination,其他属性检查参与组成分泌腺这种现象的。事实上,近年被发现分泌神经生长因子(神经生长因子),脑源性神经营养因子(BDNF),调节31日,神经胶质细胞line-derived神经营养因子(GDNF) [32]。
关于近年移植到人类的科学,一些临床试验已经完成。自体近年移植到患者的可行性和安全性完全胸损伤测试在I / II期临床试验93年,94年]。一年(93年和三年94年)后细胞移植到受损区域,没有观察到并发症有关的安全程序。没有脊髓囊肿或肿瘤形成的报导,神经性疼痛和神经恶化状态。此外,在任何病人没有明显的功能变化。相比之下,一个飞行员I / II期临床研究由利马et al。95年)表明,移植患者的嗅觉粘膜缺损的严重慢性SCI在11提升电机的改进患者(20)。尽管一些不良事件报告了5的患者,非肿瘤的组织的病变部位的增长都被观察到。
2.5.2。雪旺细胞
多年来,它一直认为SCs可能有用工具SCI等细胞治疗中枢神经系统损伤。这个想法是基于SCs可能允许破坏中枢神经系统轴突再生和remyelinate以同样的方式,因为它发生在pn (96年]。然而,它被假定的适用性SCs可以减少在星形胶质细胞的存在97年]。回忆这细胞类型存在于科学领域,这样的假设会实施这个想法SCs astrocyte-rich环境中移植就没这些细胞内广泛整合(98年]。尽管证据支持这个理论,有几项研究表明SCs能够促进再生,髓鞘轴突在SCI的网站,从而成为一名优秀的候选人调解这种损伤的修复。为了证实这一点,与自体SCs移植实验进行胸受伤的猫脊髓。在十二种动物(25),所有幸存的轴突的脊柱被移植细胞在损伤水平[remyelinated99年]。还有一个外围背外侧大片的髓鞘形成6例(99年]。此外,在断掉的裸大鼠脊髓移植人类SCs促进轴突再生和髓鞘形成的几个在病变部位神经元的数量。一些再生生长也发生在贪污,伴随着温和改善的功能(One hundred.]。最近,成人SCs发现维持神经元生存和促进轴突再生和下肢运动表现适度挫伤成年大鼠胸脊髓(92年]。此后,自体移植的mitogen-expanded SCs模型的急性脱髓鞘猴脊髓损伤导致功能和解剖修复,以及修复大面积的髓鞘脱失(101年]。
另一个有趣的事实是,转基因SCs,神经生长因子过表达(102年)或BDNF (103年]强劲增加轴突生长和remyelination移植到SCI后成年大鼠(102年,103年]。有趣的是,嫁接SCs展出的分化表型和时间课程匹配模式通常观察到在周围神经损伤(102年]。
迄今为止,证据显示潜在的SCs融入SCI的细胞移植。因此,他们的临床翻译被描述许多有趣的报告。例如,萨贝里的团队专注于SCs的自体移植慢性脊髓损伤患者。细胞直接注入损伤区(104年)或髓内交货(105年]。在研究中,没有观察到不良的影响(一年104年和两年105年细胞移植后,即使没有观察到有益的影响。一般来说,程序被发现是安全的。最近,迈阿密项目治愈瘫痪进行首次FDA批准SCs完成胸SCI患者移植。这第一阶段临床试验的目的是评价移植病人的安全性和可行性的SCs。因此,病人收到自己的SCs大约4周后受伤,没有不良后果,到目前为止。现在这个项目是推进这一阶段我临床试验,招收共有八个参与者急性胸SCI (106年]。
不管细胞疗法治疗科学揭示的进步是有前途的,这种方法通常应用敏锐和亚急性。然而,细胞移植对SCI往往不能产生功能恢复(13]。当细胞只是直接交在损伤部位在这个阶段,比例升高并不深刻的缺氧和缺血环境生存。因此,需要选择为了有效地交付基于细胞和细胞疗法在SCI的网站。
3所示。SCI生物材料作为组织工程方法修复
中枢神经系统的再生能力有限是众所周知的。除了抑制环境,创建后损坏,因为它发生在SCI,缺乏物理矩阵,神经元和内源性修复细胞可以遵循。这是两个主要的理由支持SCI-related使用生物材料的研究。从这个意义上讲,生物材料科学和组织工程学方法一直在最前沿的方法科学治疗的新策略。生物材料中,水凝胶作为一个优秀的选项出现,主要是由于他们的物理性质,从而密切模仿软组织环境和中枢神经系统的体系结构。同时,他们的化学成分可以适应集成细胞外基质(ECM)分子以及其他粘附蛋白,旨在有效地支持和引导轴突再生。有趣的是,混合矩阵的发展也是一个方法用于SCI修复,因为一个可以受益于不同材料的特性推动SCI复苏(107年- - - - - -109年]。
考虑到这一点,本节将主要集中在生物材料的应用在SCI上下文中,尤其是hydrogel-based策略的使用。
3.1。Hydrogel-Based生物材料科学治疗
对于临床应用,生物材料的设计必须满足一些基本条件,如生物相容性,所以它不触发任何从宿主的免疫反应;特殊定制的机械和物理化学性质,使脊髓稳定和细胞连接和增长;孔隙度和渗透率对离子的扩散,营养,和废物;和生物降解性,生物降解新组织生长,因此模仿自然分解机制和ECM的合成在自然组织(14,110年,111年]。组织工程中可用的各种各样的材料,对神经组织修复水凝胶尤其吸引人,因为它们的属性匹配所有这些需求。实际上,水凝胶的物理特性,允许他们被注入体内非侵入性的方式。此外,他们可以管理本地化的方式,也能够填补缺陷造成的伤害(14,112年,113年]。因此,他们充当仓库持续释放在受伤部位的细胞和分子。作为细胞交付代理,水凝胶也提高细胞存活率和集成(114年]。从结构上看,他们非常类似于身体和macromolecular-based组件被认为是生物相容性的,也就是说,当来自天然聚合物(115年]。同时,高含水量比其他矩阵的优势更好的模仿ECM的水环境(116年]。
大量的水凝胶已经开发了SCI修复,包括natural-based水凝胶,如海藻酸(108年,117年,118年),琼脂糖(119年- - - - - -121年),胶原蛋白(122年- - - - - -124年),纤连蛋白(125年,126年),纤维蛋白(127年,128年),人工基底膜(122年,129年],结冷胶(109年,130年,131年),以及合成biodegradable-based水凝胶,即聚(乳酸)(PLA) [132年,133年),聚(lactic-co-glycolic酸)(PLGA) [134年,135年),聚(乙二醇)(挂钩)136年,137年)和非生物降解的methacrylate-based水凝胶,包括保利(2-hydroxyethyl丙烯酸甲酯)(水凝胶)107年,122年,138年)和聚(甲基丙烯酸羟丙酯)(pHPMA) [139年- - - - - -141年]。
3.2。Natural-Based水凝胶
时要考虑开发一种水凝胶一个重要方面是它与宿主组织集成和交互。因此,许多水凝胶配方用于生物医学应用包括天然高分子或分子存在于生活组织。
神经组织修复,natural-based水凝胶物质通常出现在天然ECM或有一定的属性被细胞,促进他们的集成在主机142年,143年),从而为SCI首选修复。此外,他们表现出类似的软组织的属性替换(143年]。然而,由于这些材料源于天然来源,它们可能引起宿主的免疫反应,他们将植入和批次之间的异质性也可以观察到144年]。
在上面提到自然水凝胶,这里我们将专注于琼脂糖、海藻酸、胶原蛋白、纤维蛋白、壳聚糖、结冷胶。
3.2.1之上。琼脂糖
琼脂糖是D-galactose的多糖和3,6-anhydro-L-galactopyranose组织如力学性能,被广泛用于药物输送策略由于其多孔性(120年]。此外,琼脂糖凝胶也潜在的病毒基因运载系统的应用已被证明提供一个缓慢释放的生物活性,压实DNA (145年]。源自红藻细胞壁,琼脂糖是一种生物相容性的组件,使它能够被用于组织工程方法。
琼脂糖凝胶的一个方面,使他们特别有趣CNS-related疾病是聚合的能力原位,这样他们就可以满足不同类型的神经缺陷,适应的形状病变(120年]。此外,这种类型的水凝胶已经显示了支持神经突扩展的能力在活的有机体内(120年]。
在两个不同的老鼠模型SCI(挫伤和dorsal-over半切术),琼脂糖凝胶被用作MP-loaded纳米颗粒(水库146年,147年]。这种构造允许本地和逐步释放的药物,通过改进影响减少促炎病变体积和表达的蛋白质,相比系统性议员交货(146年,147年]。Agarose-based水凝胶也被用于窝藏脂质超小型电子管装载不同的药物,即chondroitinase ABC (chABC) [148年]。这个系统有利于当地持续释放chABC,因此减少硫酸软骨素蛋白聚糖的沉积(CSPGs,轴突生长抑制剂)的主要类和私企的使用更多的入侵,连续给药系统(如泵或导管)148年]。在一个相同的方法中,琼脂糖凝胶加上脂质超小型电子管含有持续活跃ρgtpase (Cdc42和Rac1),减少CSPGs沉积和反应性星形胶质细胞,促进轴突生长CSPG-rich地区(149年]。最近,一个生物工程琼脂糖脚手架证明来支持电机轴突再生后完整的横断SCI模型(150年]。此外,制备凝胶内的通道允许更线性的和有组织的轴突生长121年,150年]。在另一项研究中,琼脂糖凝胶被修改成为对光不稳的,然后暴露于激光聚焦后,物理和化学通道被创建,同时固定的纤连蛋白肽glycine-arginine-glycine-aspartic acid-serine (GRGDS)结构。这些通道被发现提供指导在细胞迁移和神经突产物(151年]。
3.2.2。藻酸盐
另一个来自细胞壁多糖的藻类(褐藻)海藻酸,这是能够吸收自身重量200 - 300倍的水(152年]。重复单位组成的(1 - 4)有关β-D-mannuronate和α-L-guluronate [153年],它被用作封装的基质细胞,细胞移植和组织工程应用程序(108年,154年,155年]。这种水凝胶的凝胶化发生在羧酸根之间的交互和不同的抗衡离子,如钙(156年]。然而,凝胶化过程也可以基于物理网络的存在,稳定的分子间疏水烷基链之间的相互作用与海藻酸骨干(154年]。
藻酸盐凝胶与疏水蛋白质域提供了一个很好的保留,可以释放的离解疏水连接(154年]。
在在活的有机体内模型中,海藻酸水凝胶也申请了生长因子的交付,包括血管内皮生长因子(VEGF)。应用程序后水凝胶的机械应力,增加了大量的VEGF凝胶,导致增强的新血管形成过程在海藻酸水凝胶(157年]。在急性颈脊髓损伤的成年老鼠,alginate-based高度各向异性的毛细管水凝胶诱导定向轴突再生在植入人工支架(108年]。由于哺乳动物不具备酶能够降解高分子聚合物的海藻酸,增加PLGA微球含有海藻酸裂解酶凝胶可以提供一个可调,控制这种自然的酶促降解水凝胶(158年]。在最近的一项研究中,海藻酸水凝胶被用作存款的GDNF(免费或微球内部)和注入半切术的伤害SCI大鼠模型。6周或三个月后,有更多的神经纤维细丝观察病变的动物对待自由GDNF加载水凝胶,相比microspheres-GDNF-treated或未经处理的控制。此外,同一组动物少了胶质原纤维酸性蛋白(GFAP)染色和内皮细胞和神经纤维浸润病变部位。优越的功能恢复也观察到在自由GDNF-treated老鼠,评估步态分析(118年]。
3.2.3。胶原蛋白
胶原蛋白是蛋白质的一个主要发现在不同组织的ECM哺乳动物(159年]。主要由成纤维细胞合成,有29个不同的胶原类型,我是最常见的类型159年]。此外,凝胶形成能诱导仅仅通过改变胶原蛋白溶液的pH值(143年]。因此Collagen-derived材料是高度生物相容性,但也可降解和noncytotoxic,拥有支持细胞生长的能力159年]。从这个意义上说,胶原蛋白已广泛应用于诊所,在复苏等不同的应用程序的组织缺陷,烧伤,伤口敷料,和神经再生160年]。作为主要的缺点,胶原蛋白的力学行为在活的有机体内可能是变量,有时它可能引起抗原反应,也就是说,如果使用跨物种移植(161年]。其他问题包括酶促降解率的变化,与水解降解相比,微量杂质的存在(159年]。
对胶原蛋白应用于SCI,吉梅内斯哈曼et al。162年)开发了一种集中胶原本地化解决方案交付不同的生长因子。胶原蛋白和表皮生长因子(EGF)和纤维母细胞生长因子2 (FGF-2)注入蛛网膜下腔的受伤Sprague-Dawley老鼠。这导致更少的空化在病灶中心(和句尾区域),与更多的白质爱惜,而参与动物(162年]。在另一项研究中,胶原纤维是嫁接的SCI大鼠脊髓轴平行,桥促进神经再生。四个星期后,再生轴突穿过近端和远端脊髓cord-implant接口。12周后,大鼠提出改进的运动行为和躯体感觉诱发电位(SSEP)观察123年]。最近,多通道胶原管道被用作neurotrophin-3水库(NT-3)在SCI大鼠基因传递。受伤后一个月,一个对齐的观察轴突再生,提高再生轴突的数量被发现在管道交付NT-3 [124年]。胶原蛋白支架基本FGF的协会也诱导显著改善SCI大鼠的运动行为,并允许引导增长通过植入纤维(163年]。
3.2.4。纤维蛋白
基于纤维蛋白水凝胶也进行了广泛的探索科学治疗。纤维蛋白是一种纤维蛋白,参与血液凝固。凝血级联过程中产生,由凝血酶纤维蛋白原裂解时,给纤维蛋白单体起源。之后,这些自发单体聚合,并创建一个三维(3 d)矩阵164年]。纤维蛋白的一个重要方面是控制通过使用不同浓度的凝血酶凝胶化过程。这个特性提供的可能性保持注射纤维蛋白在液体状态,而形成一个牢固的支架在活的有机体内(165年]。然而,也有一些缺点。从哺乳动物的起源往往迅速降解纤维蛋白凝胶166年,167年),可能很容易被血液病原体污染或朊病毒蛋白(168年]。此外,一些,哺乳动物纤维蛋白原抑制自体神经突生长报告显示(169年和星形胶质细胞激活居民疤痕形成170年]。
对于在科学应用程序中使用的纤维蛋白,Iwaya等人在1999年表示,这是一个有效的脊柱内的中间的神经营养因子(171年]。在同一个想法,泰勒等人设法提供NT-3内纤维蛋白支架SCI大鼠。九天后受伤,这种治疗引起一种更健壮的神经纤维增长到病变,与对照组相比。显著减少胶质瘢痕的形成也被观察到。然而,之间没有差异被发现的运动康复组(128年]。最近,目的是避免一些哺乳动物的纤维蛋白的副作用,夏普等人测试salmon-derived作为注射纤维蛋白支架对SCI (165年]。鲑鱼fibrin-treated动物显示更大的运动和膀胱功能恢复和更多的血清素激活的神经支配尾损伤,比动物对待人类纤维蛋白或未经处理的控制。此外,没有观察到影响胶质疤痕形成或病灶体积(165年]。此外,2010年国王等人使用注射形式的纤维蛋白混合纤连蛋白(FN / FB)支持轴突长在肉内SCI后(126年]。一周后受伤,混合物显示良好的集成与宿主脊髓和支持某种程度的轴突生长。四个星期后,轴突生长在FN / FB植入是最大的比其他植入物测试(126年]。
3.2.5。壳聚糖
线性多糖,壳聚糖也是一个不错的选择作为一个再生的生物材料科学的策略。多糖是由随机分布的β-(1 - 4)与D-glucosamine(脱去乙酰基单元)和N-acetyl-D-glucosamine(乙酰化单元)。它可以来自甲壳素在甲壳类动物的壳,这是第二个最丰富的生物聚合物后纤维素(172年]。
壳聚糖能够形成凝胶本身不需要添加剂(173年]。可能通过氢键、疏水相互作用和壳聚糖微晶(174年]。这些水凝胶也可以混合形成的壳聚糖与其它水溶性非离子聚合物(175年)或多元醇盐(176年]。因为它是polycationic自然在酸性条件下,壳聚糖可以通过相互作用形成水凝胶与带负电荷的分子(177年]。另一种类型的壳聚糖水凝胶可以通过共价键形成与金属离子(178年),虽然这些凝胶不太适合生物医学使用(173年]。最后,壳聚糖凝胶的也可以通过聚合物链之间的共价键。这些债券使水凝胶更稳定,因为凝胶是不可逆转的。然而,这种方法可能改变壳聚糖的主要结构,这将导致其属性发生变化(173年]。
壳聚糖水凝胶是pH-sensitive,溶于稀水条件和沉淀成凝胶在中性pH值(179年]。这种聚合物是可生物降解和生物相容性也是非常重要的作为支架在组织工程应用中。在脊椎动物,它主要由溶菌酶和一些细菌降解酶在冒号(180年]。
对神经修复,壳聚糖通常应用于生产的管状结构最常用在周围神经系统(181年]。然而,壳聚糖水凝胶也被应用于神经组织工程。例如,使用壳聚糖/甘油磷酸酯盐(GP)水凝胶显示,这种类型的凝胶为神经元提供了一个合适的3 d搭建环境,即胎儿皮质老鼠细胞(179年]。添加肽poly-D-lysine一样,还显示能力提高支架的生物相容性和神经细胞亲和力对壳聚糖材料(182年]。
3.2.6。结冷胶
最后,最近使用的结冷胶(GG)为基础的水凝胶为中枢神经系统应用已被证明是有前途的。GG是一种天然多糖,是细菌产生的假单胞菌伊乐藻属植物(183年]。其结构由四糖重复单位的,由两个葡萄糖残基,残渣L-rhamnose和另一个D-glucuronic酸[D-Glc (β14)D-GlcA (β14)D-Glc (β14)L-Rha (α13)]n [184年]。这个线性阴离子多糖乙酰化和脱去乙酰基的形式存在,原始thermoreversible凝胶具有不同力学性能根据程度的脱乙酰作用[183年]。
GG是noncytotoxic特别是抗酸和热应力,是有用的在文化极端微生物生物(185年]。ionotropic该生物材料的凝胶化过程,这意味着阳离子的存在是形成稳定的水凝胶结构所必需的(186年]。在这个过程中,二价阳离子促进更有效的凝胶比单价阳离子(187年),与此同时,一些结构性变化发生。在更高的温度,GG线圈型。随着温度降低,thermoreversible从线圈过渡到双螺旋结构。通过自组装这些结构形式的包,这被称为结区。散开的多糖链也可以与结区,形成的三维网络,组装凝胶(187年]。
关于科学应用程序中,我们小组开发了不同的策略基于GG水凝胶(109年,131年]。2010年,席尔瓦et al。109年与三维管状结构的共轭GG的可生物降解的混合淀粉(让)。这种构造了noncytotoxic和支持的能力在体外文化oligodendrocyte-like细胞。此外,当应用在活的有机体内在半切术鼠SCI模型中,结果表明:支架是集成在病变部位而不引起任何慢性炎症过程(109年]。2012年,同一构造适应提高osteointegration premineralizing让另一些人的外部表面结构(131年]。通过使用水玻璃凝胶作为成核剂,可以创建两个截然不同的环境中,一个旨在诱导成骨的活动(外表面),另一个用于促进本次(内表面)131年]。
共同修改用于这种类型的水凝胶的不同肽序列,模拟ECM (151年,188年),改善细胞粘附等现象的目的,增长和发展(189年]。从这个意义上说,我们组有修改GG GRGDS纤连蛋白肽,导致细胞增殖和代谢活动的增强,将在下一节详细描述(130年,190年]。
3.3。合成水凝胶
关于合成水凝胶,他们最大的优势是他们可以定制以适应特定应用程序的需求。从理化性质退化率,其结构的许多方面可以调制,以改善他们的生物相容性和降解率(191年]。发现与使用可生物降解的聚乳酸(PLA)和聚(lactic-co-glycolic酸)(PLGA)水凝胶,methacrylate-based水凝胶和聚(乙二醇)(挂钩)水凝胶将简要讨论。
3.3.1。聚乳酸(PLA)和聚(lactic-co-glycolic酸)(PLGA)
PLGA /聚乳酸聚合物的成员α羟基酸类化合物和由合成可生物降解脂肪族聚酯(192年]。控制这些聚合物的降解率和机械性能,可以改变单体单位及其立体化学的比值(D -或l形),以及链的分子量分布(193年]。自从PLGA和其他类似聚合物已经被FDA批准用于人类周围神经的修复,他们翻译成CNS-related伤害似乎承诺(194年]。
在科学应用程序中,Patist et al。138年)测试聚(D, L-lactic酸)的影响大孔指导支架(泡沫的形式),有或没有BDNF,切断大鼠脊髓的典范。包含acidic-FGF泡沫是嵌入在纤维蛋白胶,导致一些gliotic和炎症反应在cord-implant接口。此外,在BDNF-containing泡沫,NeuN-positive多20%细胞(神经元)的标志出现在脊髓神经组织在喙的树桩,比控制,分别植入后4到8周。这些相同的泡沫表现出显著的更高层次的血管化。奇怪的是,治疗纤维蛋白只取得了比其他组轴突。通过行为分析,发现类似的功能改善所有组(138年]。此外,解放军超细纤维,在对齐或随机的形式,在大鼠体内受到脊髓完全横断。4周后受伤,这两种类型的超细纤维促进宿主组织的渗透,并允许关闭初始3毫米的差距。然而,对齐PLA纤维促进更长的距离rostrocaudal轴突再生相比随机PLA纤维或电影控制(133年]。
关于PLGA纳米,微粒的水凝胶被广泛用作组织工程应用程序交付代理(195年]。在SCI的动物模型中,风扇等。135年)使用PLGA神经导管结合重组人类NT-3 (rhNT-3)。老鼠受到完整的胸横断脊髓然后PLGA一起植入一个rhNT-3单剂量管理。动物组合处理方法提出了BBB显著提高性能2(低音部,比蒂和Bresnahan)评级运动规模和网格走测试(135年]。
3.3.2。Methacrylate-Based水凝胶
聚(n - 2 -(羟丙基)甲基丙烯酰胺)(PHPMA)。PHPMA水凝胶被会社沃尔和他的同事们第一次描述了(140年,141年]。他们合成生物相容性和异构的水凝胶,在一个开放的多孔结构,允许这两个小型和大型分子的运输,以及细胞的迁移和血管141年]。这种水凝胶也提出了粘弹性性质类似于神经组织(140年]。当植入一个切断大鼠脊髓,水凝胶成功弥合组织缺陷有利于细胞生长,组织内的血管生成和轴突生长网络(140年]。这表明水凝胶是宽容的增长修复组织,由胶质细胞、血管、轴突、树突甚至ECM分子,如层粘连蛋白和/或胶原蛋白(141年]。PHPMA水凝胶的其他特性包括减少相邻的坏死和空洞的灰质和白质切断大鼠脊髓(139年]。此外,使用这种类型的水凝胶在猫受到横断损伤提供了一些汽车的好处,而参与的猫(196年]。最近,PHPMA水凝胶被用作一个矩阵,以创建一个适当的轴突再生的微环境在SCI大鼠。表现出一种改进的运动BBB Hydrogel-implanted动物2分数和神经肌肉评估的整体更好的协调,如呼吸调整电诱发等长收缩和H-reflex复苏。免疫组织化学分析后,ED-1阳性细胞(单核细胞/巨噬细胞)明显积累在边境的病变。与此同时,大量的neurofilament-H阳性轴突渗透矩阵。此外,也有髓鞘保护吻侧和尾损伤(197年]。
保利(2-hydroxyethyl丙烯酸甲酯和2-hydroxyethyl methacrylate-co-methyl丙烯酸甲酯)(水凝胶/ PHEMA-MMA)。与其他合成水凝胶、水凝胶聚合物/ PHEMA-MMA缺点是不能生物降解的(107年,122年]。然而,这个属性允许他们保持稳定,甚至在植入(144年]。此外,这些可以使水凝胶的生物相容性,肿胀的能力并留住大量的水不溶解(198年]。
水凝胶聚合物是最积极研究非降解性材料用于神经指导渠道(193年),因为他们拥有柔软、可调机械性能,可以很容易地塑造成管状形状,控制尺寸、形态、和渗透率(199年]。此外,由于水凝胶的合成是在低温下进行,没有有毒溶剂,可以将生物活性化合物的聚合物支架(107年]。
当应用于鼠横断模型,PHEMA-MMA水凝胶管道允许合成中的一个连续性的组织指导渠道创建(107年]。这些渠道进一步结合不同的矩阵和生长因子,导致通道内轴突密度增加,比空通道控制(122年]。然而,结果表明,管道的完整性程度大幅降低植入后16周,相比八周的时间点(200年]。此外,一个重要的改进是对水凝胶进行管道通过引入线圈成神经通道的墙壁为了提供钢筋201年]。例如,PHEMA-MMA指导渠道包含poly-caprolactone线圈显示更明显比没有补强的渠道,有较高的(开放)导致类似自体再生,对周围神经系统损伤(201年]。水凝胶海绵也被用作导电衬底再生轴突的大鼠脊髓挫伤病变。这些海绵浸满前胶原蛋白植入到背细绳后的病变。植入后2 - 4个月,最小fibroglial反应是观察,与低积累有关海绵和脊髓内单核细胞或血管生成界面。此外,囊腔没有标签和轴突与顺行示踪剂渗透和细长的全长海绵(202年]。修改PHEMA-based水凝胶也被使用以增加细胞粘附[203年]。例如,水凝胶结构修改与laminin-derived peptides-tyrosine-isoleucine-glycine-serine-arginine和isoleucine-lysine-valine-alanine-valine (YIGSR和IKVAV)主导DRG细胞生存的显著增加,两天后在文化、比普通水凝胶(203年]。此外,水凝胶水凝胶植入部分颈半切术损伤大鼠模型中只有诱导细胞炎症反应,4周后消失。此外,微小的伤疤观察周围的矩阵。相当水平的观察血管生成在水凝胶中,BDNF浸泡时,观察轴突渗透进入凝胶(204年]。在另一个完全横断模型线,水凝胶水凝胶在SCI后立即或植入一个星期。三个月后,组织学评估显示,水凝胶粘脊髓组织。此外,一个长在肉内结缔组织的元素,血管,神经纤维细丝,在凝胶观察雪旺细胞。此外,有一个显著减少假性囊肿体积,在动物治疗一周后更明显损伤(205年]。最近,Kubinova等人使用水凝胶水凝胶与导向孔和修改SIKVAV肽在脊髓半切术模型。从三种类型的水凝胶测试(具有不同弹性模量和峰值),最好的选择提升组织桥接和一个一致的轴突长在肉内(206年]。
3.3.3。聚乙二醇(PEG)的
聚乙二醇(PEG)是一种无毒聚醚化合物,水溶性和已知的抗蛋白吸附和细胞粘附207年]。这些属性使聚合物挂钩高度耐移植后免疫系统的识别(144年]。除此之外,盯住有助于密封后细胞膜损伤,限制细胞死亡(144年]。
根据创建的交叉连接,盯住水凝胶可以设计不同的降解率和可作为药物释放车辆(208年,209年]。此外,他们可以为了增加另外修改细胞粘附[210年,211年]。也知道挂钩展品快速间隙率和已经批准的范围广泛的生物医学应用程序(208年),包括科学。
在一个在活的有机体内SCI模型、治疗与挂钩方案本身能够加速和提高膜再密封过程,恢复神经细胞膜的完整性。这导致抑制水平的活性氧(ROS)高程和脂质过氧化作用136年]。在类似的方法,钉治疗也可以恢复复合动作电位(CAP)的传导在脊髓受伤137年]。此外,对成年豚鼠进行的一项研究表明,6个小时后脊髓挫伤,单一的盯住皮下注射(生理盐水)产生SSEP通过病变传播的迅速复苏。这是紧随其后的是一个重要的皮肤的恢复trunci肌肉(CTM)反射,这是一个很好的白质完整性指数(212年]。在另一项研究中,利用狗的动物模型SCI,盯住注入在急性期表现为临床上安全、诱导不同的结果的快速复苏措施,相比传统治疗狗(213年]。同时,耦合盯住水凝胶与NT-3和植入这些老鼠SCI提供改进的运动行为进行动物模型和更大的轴突生长,相比单独控制水凝胶处理(214年]。最近,它还表明,即使在低Ca条件挂钩是有效的2 +和较低的温度,水凝胶的作用机制可能是基于减少膜张力,促进再密封膜(215年]。
总之,似乎挂钩行动主要有两个途径:一是基于保护膜损伤,从而导致减少坏死和凋亡,而另一个是防止mitochondria-derived氧化应激的影响,显示出减少活性氧的形成和脂质过氧化216年]。
3.4。自组装多肽
被用于科学研究的另一个选择是自组装多肽的应用(SAPs) [217年]。这些都削弱了固体支架所形成的自组装肽的双从水的解决方案217年]。获得的肽序列可以定制特定的细胞反应。当细胞悬浊液这些水被添加到解决方案,两亲性分子聚合形成不同纳米纤维网络。这种聚合发生主要是由于(1)带负电荷之间的静电斥力的存在削弱了和阳离子存在于培养基;和(2)部分疏水性质的削弱了。注射液体坑道向生活的组织也会导致支架形成(217年]。肽的存在感兴趣的亲水部分削弱了允许细胞重要的主题演讲。基于这一概念,在2004年,席尔瓦和同事开发了一个SAP IKVAV层粘连蛋白主题(217年]。神经祖细胞(npc)封装在这些凝胶状支架和仍然可行的至少22天。此外,这个系统能够促进npc迁移主要和直接分化为神经元,而抑制星形胶质细胞分化[217年]。这是被证明是由于IKVAV存在,因为类似的SAP设计与nonbioactive方程式(谷氨酸、谷氨酰胺和丝氨酸)肽不诱导细胞迁移,探明的萌芽,或神经元分化217年]。抑制星形胶质细胞分化与增殖非常重要,因为它可以与预防神经胶质疤痕形成的217年]。最后,在这些神经元网络更大,产生不再相比,神经元神经突生长在控制文化。在2008年晚些时候,一个工作发表的同一组评估与IKVAV图案的影响削弱了鼠标压缩SCI模型(218年]。伤后24小时,SCI老鼠对待一个注入IKVAV肽双(IKVAV-PA)和相应的控制。首先,IKVAV-PA被发现是稳定的,只有4周后进行生物降解。然后,在活的有机体内应用这些肽双SCI老鼠减少astrogliosis的进展(5和11周后评估)和细胞死亡(凋亡细胞10天后少)。在同一时间,有一个数量的增加少突神经胶质的伤害,比控制。IKVAV-PA也提升下电动机的再生和提升感觉纤维病变部位通过11周后受伤,即使纤维以随机的方式增长。此外,老鼠接受IKVAV-PA提出BBB评估的一个重要行为改进2运动范围(218年]。单独注射IKVAV肽没有诱导功能恢复,这强化了主意,削弱了和IKVAV肽产生效果至关重要。在另一项研究的作者(219年),注射IKVAV-PA提供功能性的改进在小鼠和大鼠和两种不同模型的SCI(压缩和挫伤,职责)。此外,IKVAV-PA对待动物提出了一个更高密度的血清素激活的纤维,尾受伤的网站。有趣的是,这种差异仅出现在长期受伤的线(219年]。改进后的含血清素的神经支配可能部分解释功能的改进中观察到其他研究[219年]。
最近,Berns et al。220年)使用了一个类似的策略通过修改这些对齐支架IKVAV或RGDS抗原表位。提出了这些ECM-derived生物活性肽单畴结构排列的纳米纤维表面的凝胶。从神经元神经突的生长封装在支架增强,而对齐指引方向沿着神经突的纳米纤维220年]。这种纤维排列被证明是一个强大的方向提示神经突的结果(220年]。此外,神经细胞培养支架的两周了自发电活动和建立突触连接220年]。最后,当应用在活的有机体内,支架形式原位在面向过程的脊髓和促进了增长(220年]。总之,这个特殊的支架有可能传播电信号和神经突产物在所需的方向220年]。
使用不同的SAP,首先引入了董et al。221年),刘等人测试的影响多畴的肽(谷氨酰胺、亮氨酸和lysine-K2(QL)6K2或(QL6)]鼠SCI压缩模式222年]。QL6注射后24 h受伤导致创伤后细胞凋亡显著减少,炎症,astrogliosis。此外,它促进了组织保存和轴突再生。SCI大鼠治疗QL6提出重大汽车复苏,BBB的评估2测试(222年]。
关于削弱了另一个有趣的事实是,通过调节他们的机械性能,特别是其刚度,可以影响神经元分化和成熟223年]。符合这一点,苏尔et al。223年]研究海马神经元的形态发展当使用削弱了不同纤维刚性。软纳米纤维基质提供了一个加快发展神经元极性和弱软PA促进神经突的附着力更容易收缩,即培养“extension-retraction”事件的频率(223年]。
据报道发现,水凝胶可能会对SCI治疗有很高的治疗价值。因此,他们的未来申请细胞和/或药似乎是有前途的。此外,考虑到之前报道的限制经常发现在细胞疗法为基础,结合生物材料被广泛认为是另一种方法更有效地调解细胞移植。
4所示。结合生物材料与细胞移植科学治疗
尽管实验基础工作关于细胞移植和生物材料科学疗法,他们使用单一方法提出了一些限制。关于生物材料,它并不总是很容易调节其属性所以他们回应与预期完全一致。此外,他们不能够取代在SCI细胞丢失。另一方面,细胞移植本身并不是能够重建脊髓复杂体系结构和稳定性,甚至直接轴突再生(11]。因此,利用两种疗法提供什么来克服SCI的多重障碍,协同效应的再生和功能恢复受伤的脊髓可以提供如果就业相结合的策略11,14)(图2)。
从这个意义上说,研究人员一直在关注生物材料的使用,特别是水凝胶作为细胞系统封装和交付到脊髓受伤。总结如表1这些组合方法的优点,在一些研究显示。
关于nsc,人工支架由合成聚乙醇酸(PGA),解放军,及其共聚物作为细胞载体(有前途224年,225年]。然而,nsc行为被发现依赖于支架的力学特性,nsc分化率较高的解放军纳米纤维超细纤维比较,独立的对齐225年]。此外,nsc移植的PLGA支架在SCI大鼠可以维持细胞生存的时间更长,提高功能恢复的老鼠226年,227年]。在另一个有趣的研究中,国家安全委员会和内皮细胞(ECs) codelivered双组分生物材料组成的一个外PLGA支架和一个内聚(乙二醇)/ poly-L-lysine (PEG /锁相环)大孔水凝胶中受伤的大鼠脊髓半切术SCI模型。ECs的角色在这种方法是促进血管化支架为了增加nsc生存。实际上,功能性血管病变部位的数量增加了,尽管nsc生存没有,而植入只携带细胞(228年]。的优势自然凝胶作为生物材料来调节nsc在一些研究还显示。例如,藻酸盐海绵导致老鼠的生存和分化hippocampus-derived neurosphere细胞,移植后大鼠脊髓受伤(229年]。基于类似的线后,纤维蛋白水凝胶支持神经突产物(230年]。在活的有机体内他们也被证明能增加神经纤维的数量在亚急性SCI大鼠模型,同时推迟GFAP阳性反应性星形胶质细胞在损伤的积累(231年]。最近,nsc表达GFP是嵌入到生长因子cocktail-containing纤维蛋白矩阵和被发现分化成神经元能够与宿主细胞形成突触。此外,特定信号通路被发现影响大的轴突延伸在损伤部位。动物的功能恢复也观察到(22]。电影后壳聚糖/几丁质,促进细胞的生存在体外(232年),chitosan-based渠道与层粘连蛋白涂层被证明显著改善脊髓cord-derived nsc生存,移植后12周的大鼠脊髓受伤。不过,轴突再生和功能恢复没有提升233年]。最后,GG水凝胶也被进行了嫁接nsc的在体外研究由席尔瓦et al。130年]。增强细胞粘附,GG水凝胶使用Diels-Alder点击化学与GRGDS肽进行了修改。nsc发现坚持和修改后的凝胶内增殖,相比修改的。此外,近年被用来进一步加强nsc生存和结果在这个系统。cocultures, nsc呈现显著更大生存和增殖比单一栽培的国家安全委员会(130年]。
msc结合生物材料也成为一个潜在的组织工程的方法,旨在提高两个msc移植效率在受伤部位和生存。例如,治疗BM-MSCs聚(D, L-lactide-co-glycolide) /小肠黏膜下层(PLGA / SIS)支架诱导神经再生在完整的脊髓横断模型(234年]。不同的缺陷长度进行了研究,BM-MSCs生存是观察。此外,轴突再生和功能恢复也报道,尽管它被发现依赖于缺陷length-smaller缺陷允许更高的功能恢复和再生(234年]。脊髓再生也被广泛研究的植入MSC-containing基于衍生品的大孔水凝胶2-hydroxyethyl丙烯酸甲酯(-),2-hydroxypropyl甲基丙烯酰胺(HPMA),或HPMA的共聚物(235年到脊髓损伤。这些水凝胶是要么修改通过共聚hydrolytically降解交联剂(N, O-dimethacryloylhydroxylamine)或不同表面电荷(HEMA-sodium丙烯酸甲酯(MA)负电荷;HEMA-2 [2 - (methacryloyloxy)乙基]trimethylammonium氯(MOETACl)正电荷)。植入后,水凝胶集成在损伤部位和促进细胞向内成长,更明显的带正电的丙烯酸- / MOETACl水凝胶。轴突被发现入侵的所有水凝胶植入近端和远端树桩。此外,水凝胶被巨噬细胞再吸收,取而代之的是新成立的组织含有结缔组织元素,血管,病患过程和神经纤维细丝。P(-)和HPMA水凝胶也修改laminin-derived Ac-CGGASIKVAVS-OH肽序列(236年)和RGD氨基酸序列(237年),分别。这些连接细胞的数量明显增加,他们的增长领域236年),允许水凝胶成功桥脊髓腔,同时促进轴突内渗透,以及血管和星形胶质细胞增长(238年]。
琼脂糖、海藻酸和基底膜基质其他自然水凝胶用于msc移植。琼脂糖的模板支架与BM-MSCs嫁接表达要么NT-3 [121年)或脑源性神经营养因子(BDNF) (150年),放入脊髓病变的网站。与线性增加Long-tract感觉轴突再生组织观察到脊髓,脊髓横断网站(甚至为严重,完全150年]。然而,大量活性细胞层的形成在脚手架的接口阻止轴突渗透121年]。关于海藻酸和人工基底膜,在体外研究报告了这些凝胶的潜在诊断相关促进轴突再生嫁接时不同的细胞类型,包括BM-MSCs [239年]。纤连蛋白结合的海藻酸也被考虑在内。背根神经节神经突而独自海藻酸抑制细胞增殖和产物,由纤连蛋白的增加或减毒BM-MSCs,背根神经节神经突基底膜基质刺激细胞增殖和结果,在没有或细胞的存在。纤维蛋白也被用于移植GFP-positive BM-MSCs后进入空腔形成半切术在大鼠脊髓损伤模型。移植后4周,增加细胞的生存以及迁移整个观察水凝胶,伴随着功能改进的动物,与动物相比,收到BM-MSCs或车辆控制PBS (240年]。最近,GG也提出了msc封装(190年]。内的移植BM-MSCs GG水凝胶改性与GRGDS fibronectin-derived肽如前所述[130年细胞增殖和代谢活动增加,相比普通的水凝胶。此外,检查参与组成分泌腺BM-MSCs是积极的影响,证明了增强海马神经元的存活和分化的主要文化在体外(190年]。
考虑到近年的众所周知的能力支持和引导轴突伸长(89年也是他们有趣的结果当移植到SCI损伤模型(241年,242年),他们的结合3 d矩阵也对SCI修复提供了广阔的前景。在各种研究探索生物材料的组合,近年,Novikova et al。239年)使用了一个在体外模型测试近年生物相容性(在其他细胞)有不同的水凝胶。在海藻酸水凝胶,近年提出了一个非典型的球形及其代谢活动抑制。然而,当海藻酸与纤连蛋白补充,近年是唯一的细胞能够增殖。近年在基底膜基质培养时,其扩散是刺激,其典型形态是保存(155年]。另一个在体外研究探讨了生物相容性IKVAV自组装多肽纳米纤维支架使用近年水凝胶。在2 d或3 d表面,近年支架可以存活和迁移。此外,细胞数量、生存能力和形态与poly-L-lysine近年培养相比没有显著差异(243年]。最近,陈等人。244年]测试近年增长能力在polyhydroxybutyrate-polyethylene乙二醇混合聚合物(PHB-b-DEG)。近年PHB-b-DEG影片中扩散时加强培养。此外,没有观察到的细胞毒性反应,并维持细胞生存能力。最后,它也表明,近年在PHB-b-DEG电影进入DNA复制(S)阶段和有丝分裂(G2-M)在细胞生长周期阶段,与低凋亡[244年]。搬到在活的有机体内实验中,Ferrero-Gutierrez et al。245年)评估SCI大鼠的运动康复治疗serum-derived白蛋白脚手架播种对asc近年和。首先,它是表明,这两种细胞类型坚持脚手架仍然可行,并表示特定的标记。然后,老鼠与梗塞部位治疗支架显示改进的运动技能在不同时间点,动物相比,未经处理的科学。此外,减少胶质瘢痕形成和细胞表达的标记神经元和轴突损伤部位观察(245年]。
最后,使用生物材料SCs封装也被认为是。虽然这些细胞属于周围神经系统,在SCI SCs应用程序上下文是非常普遍246年,247年]。这主要是因为SCs髓鞘能力(248年]。因此,SCs的接合biomaterials-based策略显然是一个一步SCI再生。在工作由Novikova et al。239年),SCs提出了一个非典型的形状和抑制代谢活动时培养海藻酸水凝胶。然而,两者的结合神经突减毒藻朊酸盐抑制效应在DRG的产物。此外,SCs扩散时刺激培养人工基底膜(155年]。在另一个工作相同的作者,SCs培养在生物可降解制成的管状导管poly-beta-hydroxybutyrate (PHB) [249年]。然后,支架植入在SCI大鼠和SCs的存在允许渗透neurofilament-positive管道内的轴突,与众多raphaespinal和降钙素基因相关肽(CGRP怎样)阳性轴突。因此,该共轭似乎支持轴突再生SCI后(249年]。事实上,SCs协会结构一直在反复的指导下科学实验方法(129年,250年]。例如,Bamber et al。129年)测试了SCI移植,细胞被播种在mini-guidance频道由60:40聚丙烯腈:聚氯乙烯共聚物(PAN / PVC)。这个构造,与神经营养因子,促进轴突的产物从mini-channels到远端主机脊髓(129年]。一个完全相同的方法是由Fouad et al。250年],SCs是嫁接在60:40锅/ PVC管道和SCI大鼠移植到损伤的部位。这是伴随着chABC交付和近年移植。这种联合治疗显著改善BBB提供2运动成绩,这是与增加的有髓鞘的轴突数量SCs桥(250年]。管状支架由高分子量聚(L-lactic酸)(丙交脂)和10%丙交脂寡聚物也被用于种子SCs和植入老鼠受到脊髓完全横断(251年]。这种构造能够持有没有崩溃伤后四个月。通过几个时间点,分析了SCs仍然出现在管,血管浸润。此外,还有相当数量的有髓鞘的轴突。然而,两个月后的增长和髓鞘形成略有下降(251年]。在另一个有趣的方法中,Kamada et al。252年)分化BM-MSCs SCs在体外。然后,BM-MSC-derived SCs (BM-MSC-SCs)与基底膜基质被用来填充一个超滤膜管。这种构造是嫁接的差距完全切断脊髓的成年老鼠。在这些动物,神经丝的数量和酪氨酸羟化酶(TH)免疫反应性的神经纤维相比明显高于对照组。此外,相同的动物显示出重要的后肢功能恢复(246年]。最近,同一组结合BM-MSC-SCs基底膜基质。这种混合注射到病变部位,挫伤后9天在成年大鼠病变。结果表明,与对照组相比,BM-MSC-SCs matrigel-treated动物提供了一个更小的囊性空腔面积,更多的增长相关protein-43 (GAP43)阳性纤维,大量的TH -或者serotonin-positive纤维损伤中心和尾层面,病变震中附近的peripheral-type髓鞘的形成,和后肢功能恢复(246年]。
在挫伤损伤模型中,帕特尔et al。247年植入SCs)与原位胶凝层粘连蛋白/胶原蛋白矩阵。细胞移植本身相比,3 d矩阵增强长期细胞生存,但不扩散。此外,移植血管化是改善和轴突向内成长的程度也增加。最后,某种程度的功能恢复也实现,通过BBB作为评估2运动成绩(247年]。
这些都是很有前景的结果关于生物材料作为细胞载体的使用科学治疗。在未来,挑战将是定义最具潜力的生物材料工程师和设计有效的细胞疗法。
5。结论
成人中枢神经系统再生的能力方面并不完全理解机制,负责抑制轴突再生和脊髓功能的恢复。然而,广泛的进展在SCI的神经再生。因此,我们在此集中在一些最有前途的治疗方法目前用于SCI修复:细胞和生物材料治疗及其共轭。
完成轴突再生和重联病变的主要目标是SCI修复(2]。很明显,细胞移植的使用是一个顶尖的有前途的这种治疗策略。翻译人类临床应用目前正在进行,问题细胞生物安全和生物相容性被广泛测试。然而,细胞疗法的疗效仍被SCI所呈现的数不清的障碍,包括重要的细胞死亡观察移植后,明显降低了该技术的有效性。除此之外,在慢性SCI,细胞移植是不足以促进组织重建和轴突再生致密的胶质疤痕。因此,再生策略使用脚手架桥脊髓受伤的两段再生轴突,并提供一个三维的环境非常有吸引力。符合这一点,使用生物材料的优点,支持细胞移植被高亮显示。然而,复杂的3 d支架从2 d的进化条件的微环境科学不是自由的挑战[193年]。从需求如氧气可用性和营养封装细胞扩散,梯度上的变化和缺陷,导致合成微环境异构性问题,有许多方面必须考虑文化的哺乳动物细胞在3 d环境中,因为它已经证实细胞存活和分化和组织内稳态高度依赖于这些条件(253年]。
然而,随着知识的机制而专门设计的生物材料支持细胞行为,因此如何促进中枢神经系统的再生,SCI再生的未来可能是与组合方法,整合多个刺激这两个元素。同时,高级研究生物材料如何调节细胞活性和生物安全功效的治疗必须解决,鉴于其临床应用。通过这种方式,医学和组织工程必须一起努力为了创造更好的治疗方法。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
作者的贡献
丽塔c Assuncao-Silva和爱德华多·d·戈麦斯了同样工作。
确认
作者要感谢葡萄牙基础科学和技术(批准号PTDC / SAU-BMA / 114059/2009;如果开发格兰特安东尼奥·j·萨尔加多);Premios Santa Casa Neurociencias下的基金由安东尼奥·j·萨尔加多奖梅洛e卡斯特罗的范围为脊髓损伤研究;得到而Operacional区域做北(ON.2-O新生北),ao abrigo做方形住宅区de Referencia Estrategico Nacional (QREN) atraves做底部Europeu de Desenvolvimento区域(菲德尔)。