再生醫(yī)療促脊柱重塑

王曉明 張長(zhǎng)青/編譯

在杜克大學(xué)洛里·賽頓試驗(yàn)室，研究人員希望利用干細(xì)胞與生物材料結(jié)合再生出椎間盤

●外科醫(yī)生可以按照傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)方法幫助修復(fù)受損脊椎?，F(xiàn)在，他們又在嘗試?yán)蒙锕こ滩牧现瞥缮L(zhǎng)細(xì)胞，將其注入到脊柱，以取代受損的脊骨。

45歲的瑪麗在明尼蘇達(dá)州做零售工作，2004年，她的頸部突然出現(xiàn)劇烈疼痛，伴隨著這種疼痛，她竟忍受了七周時(shí)間。后來(lái)，在醫(yī)生的最終建議下，她做了磁共振成像(MRI)掃描,結(jié)果顯示，她的中間頸椎部位有損傷。在實(shí)施過(guò)椎管擴(kuò)大成形術(shù)后，疼痛消除了。可是就在去年，瑪麗的脖子開始僵硬,手臂也感覺麻木。這一次，外科醫(yī)生將她的兩塊受損椎骨實(shí)施了融合，否則她連轉(zhuǎn)頭的功能都受到了限制?，旣愓f(shuō)，“在做融合手術(shù)前，我?guī)缀鮿?dòng)彈不得，現(xiàn)在卻又重獲新生了?！?/p>

瑪麗的脊柱疼痛并非個(gè)案，發(fā)生腰背疼的情況當(dāng)今已非常普遍，大約80%以上的人在其一生中都有過(guò)腰背痛的經(jīng)歷，近四分之一者會(huì)遭受慢性下腰痛的折磨，其致殘率高達(dá)10%以上。甚至有40%的青少年和兒童在某個(gè)時(shí)段也會(huì)出現(xiàn)腰背痛現(xiàn)象。目前，通過(guò)正在開發(fā)中的骨融合技術(shù)就能修復(fù)受損的脊柱，且病人的活動(dòng)范圍不會(huì)受到限制。

局部修復(fù)

脊柱的柔性結(jié)構(gòu)是由24塊活動(dòng)椎骨和椎間盤連結(jié)而成的，正是由于這種結(jié)構(gòu)的特殊形態(tài)，進(jìn)而提供了許多容易致傷的局點(diǎn)。摔一跤也有可能造成骨折，但骨頭本身卻可以自行愈合。在2013年英格蘭足總杯比賽中，美國(guó)門將蒂姆·霍華德（Tim Howard）摔斷了兩根后背骨，在未經(jīng)治療的情況下，它們竟自然愈合了，也沒有影響到脊柱的穩(wěn)定性。

但如果骨折傷及的是某些不易獲得骨愈合的高危病人，如吸煙人群或榶尿病患者時(shí)，則他們脊柱的機(jī)械穩(wěn)定性就會(huì)處于危險(xiǎn)境地，那么醫(yī)生就需要采取行動(dòng)了。俄亥俄州克利夫蘭診所的脊柱外科醫(yī)生伊恩·卡爾法斯 （Iain Kalfas）在實(shí)施骨折治療中，使用了骨形態(tài)生長(zhǎng)蛋白(BMP)，他認(rèn)為，適合骨骼加速生長(zhǎng)的是BMP-2，該產(chǎn)品作為灌注劑是由醫(yī)療技術(shù)公司美敦力向市場(chǎng)推廣的，其公司總部設(shè)在明尼蘇達(dá)州的明尼阿波利斯。

但加速生長(zhǎng)蛋白也不能常用，因?yàn)锽MP在某些人群中是禁止使用的，比如癌癥患者。據(jù)明尼蘇達(dá)州羅徹斯特市梅奧診所的脊柱外科醫(yī)生邁克爾·雅斯曼斯基（Michael J.Yaszemski）解釋，“提高愈合細(xì)胞分裂速率的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致癌細(xì)胞的同樣瘋長(zhǎng)。另外，成本也是一個(gè)問題。雅斯曼斯基說(shuō)，“目前，BMP的價(jià)格昂貴的令人難以置信?！币粋€(gè)劑量的BMP竟高達(dá)6 000美元，而某些治療情況則需要若干個(gè)這樣的劑量。另外，由醫(yī)生經(jīng)常自行使用的BMP藥并沒有在臨床上得到認(rèn)可，這即意味著醫(yī)保部門可能不會(huì)為其報(bào)銷，只得讓病人自行買單。作為一種選擇，外科醫(yī)生可以使用脫鈣骨基質(zhì)(DBM)。DBM是構(gòu)成骨骼的有機(jī)材料，包括BMP和其他生長(zhǎng)因子。一個(gè)劑量的DBM成本不到800美元。

決定使用BMP注入或DBM將取決于幾個(gè)因素。首先，卡爾法斯稱，盡管DBM在增加骨融合方面具有潛在的優(yōu)勢(shì)，但通過(guò)跟蹤記錄顯示，BMP注入的效果更佳，所以，當(dāng)外科醫(yī)生懷疑病人骨愈合可能性不大時(shí)，他們則更喜歡采用灌注方式。接下來(lái)涉及的是成本問題。如果注入并非絕對(duì)需要，病人可以選擇DBM，用以節(jié)省數(shù)以萬(wàn)計(jì)的美元。再者，由于會(huì)出現(xiàn)膨脹和呼吸受阻的危險(xiǎn)，因此，大多數(shù)外科醫(yī)生不想在頸椎上采用灌注方式。

最常見的一些腰部外科手術(shù)主要涉及的是椎間盤。每個(gè)椎間盤看起來(lái)很像是一個(gè)充滿了果凍的輪胎，其中心被稱為髓核(參見“椎間盤詳解圖”)。椎間盤充當(dāng)著椎骨間減震器的作用，允許彎曲和扭轉(zhuǎn)，讓骨骼保持分離狀態(tài)，便于神經(jīng)在椎管內(nèi)傳遞。當(dāng)其受到擠壓時(shí)，髓核會(huì)被外推出來(lái)，而輪胎狀纖維環(huán)則有防止外突破裂的作用。可是，隨著時(shí)間的推移，椎間盤可能會(huì)出現(xiàn)磨損老化或因傷受損的情況。如果椎骨的分離功能不再保持，脊髓神經(jīng)就會(huì)受到壓迫，導(dǎo)致瑪麗痛苦經(jīng)歷的過(guò)程也就不足為奇了。

脊柱外科手術(shù)，依其難易程度可分為：較復(fù)雜的椎間盤切除術(shù)，切除部分膨出的椎間盤，其次是椎板切除術(shù)，也就是瑪麗首先經(jīng)歷的手術(shù)過(guò)程，部分地切骨再融合，以便留出供神經(jīng)傳遞的空間。典型的融合手術(shù)是，外科醫(yī)生要將兩個(gè)螺絲插進(jìn)每個(gè)椎骨間使其融合，并用鈦棒將他們連接起來(lái)?？柗ㄋ拐f(shuō)，“螺絲和鈦棒就像是一塊鑄件,足以讓脊柱仍能保持每塊椎骨間的連接，進(jìn)而形成一座骨橋?！蓖饪漆t(yī)生一般會(huì)從骨盆上移植接骨，促發(fā)椎骨的生長(zhǎng)，但卡爾法斯采用的卻是另外一種方法。他先行實(shí)施椎板切除術(shù)，用高速鉆切骨下來(lái)，然后將粉骨料收集起來(lái)，置于椎骨周圍等待融合，通常會(huì)添加一些DBM以輔助骨骼的生長(zhǎng)。

補(bǔ)骨妙法

當(dāng)椎間盤受損后，某些外科醫(yī)生寧可使用人工椎盤來(lái)替代，也不愿實(shí)施脊骨融合術(shù)，但這種情況并不常見。人工椎間盤通常是由金屬、塑料或兩者的結(jié)合體制成的。在不涉及引入體內(nèi)異物的情況下，有些研究人員希望能找到一種更趨自然的修復(fù)方式。

一種方法是將某類物質(zhì)注入到受損的椎間盤中，使其‘再膨脹’。據(jù)佐治亞州亞特蘭大埃默里大學(xué)骨科和脊柱中心研究員王自力 （Zili Wang）介紹，“人們正在尋找能夠誘導(dǎo)細(xì)胞周圍基質(zhì)產(chǎn)生的分子。傳統(tǒng)的做法是，人們一直在使用的是BMP?！蓖跫捌渫路Q，一種被稱之為連接蛋白肽的分子可以使其分子得以構(gòu)建，并在椎間盤中形成基質(zhì)。連接蛋白肽創(chuàng)立基質(zhì)時(shí)不會(huì)象BMP-2那樣會(huì)多生成骨質(zhì)，這樣做很有裨益，因?yàn)橛霉穷^向椎間盤內(nèi)進(jìn)行填充，與向輪胎中填充礫石的道理是一樣的。

皮膚細(xì)胞也可以引發(fā)修復(fù)。據(jù)休斯頓脊椎細(xì)胞醫(yī)療科技公司首席執(zhí)行官彼得·奧希羅恩 （Peter O'Heeron）介紹，“當(dāng)脊柱受到機(jī)械壓迫并處于低氧環(huán)境時(shí)，皮膚成纖維細(xì)胞就會(huì)變成軟骨?！痹摴驹谂c休斯頓萊斯大學(xué)生物工程師安東尼奧·米可斯（Antonios Mikos）合作時(shí)顯示，在組織培養(yǎng)中他們發(fā)現(xiàn)了上述過(guò)程在起作用。伊利諾斯州芝加哥拉什大學(xué)醫(yī)學(xué)中心整形外科醫(yī)生霍華德·安 （Howard An）在對(duì)試驗(yàn)兔研究中發(fā)現(xiàn)，向髓核中注入這些皮膚細(xì)胞后可以生成軟骨細(xì)胞，這些軟骨細(xì)胞僅在四周時(shí)間內(nèi)就能生長(zhǎng)出來(lái)。與典型的髓核細(xì)胞一樣，軟骨細(xì)胞也可以釋放出助力椎間盤的基質(zhì)材料。

但是，有些研究人員相信，細(xì)胞本身并不能引發(fā)椎間盤的修復(fù)。例如，杜克大學(xué)機(jī)械工程師羅莉·賽頓（Lori Setton）曾對(duì)日本東海大學(xué)醫(yī)學(xué)院酒井大輔的試驗(yàn)做過(guò)點(diǎn)評(píng)。他指出，東海試驗(yàn)小組將嵌入到膠原蛋白凝膠中的間充質(zhì)干細(xì)胞(msc)移植到試驗(yàn)兔退化了的椎間盤上，發(fā)現(xiàn)凝膠有使MSC細(xì)胞發(fā)生增殖和變異的作用。

賽頓說(shuō)，“這項(xiàng)工作仍處于早期階段，盡管有許多可注射的生物材料已通過(guò)臨床試驗(yàn)，但細(xì)胞運(yùn)送的過(guò)程卻從未發(fā)生過(guò)?！辟愵D和她的同事希望改變這種狀況，他們對(duì)改性后可注射的聚乙二醇凝膠進(jìn)行過(guò)測(cè)試，以期讓這些來(lái)自患者的細(xì)胞能夠運(yùn)送自體原發(fā)性椎間盤細(xì)胞。試驗(yàn)小組所選擇的這項(xiàng)被稱之為自體椎間盤軟骨細(xì)胞移植技術(shù)是由德國(guó)公司開發(fā)的，通過(guò)研究顯示，當(dāng)自體軟骨細(xì)胞被注入到受損的椎間盤后，不僅可以存活，且會(huì)生成基質(zhì)。賽頓團(tuán)隊(duì)希望通過(guò)自體細(xì)胞與生物材料的結(jié)合能獲得更好的效果，為他們提供一個(gè)生長(zhǎng)的地方。

有些研究表明，對(duì)于并非來(lái)自病人自身的同種異體細(xì)胞也可以使用。例如，總部設(shè)在澳大利亞墨爾本的一家醫(yī)療技術(shù)公司Mesoblast正在進(jìn)行二期試驗(yàn),他們用同種異體干細(xì)胞加入透明質(zhì)酸注射到受損的椎間盤，在人體許多部位都發(fā)現(xiàn)過(guò)這種基本的糖分子鏈，包括皮膚和關(guān)節(jié)。據(jù)這家公司報(bào)道，根據(jù)中期試驗(yàn)結(jié)果表明，有近四分之三受試患者的背痛癥狀均有減輕跡象。

一種生物工程椎間盤(右)已在試驗(yàn)鼠身上做過(guò)真正椎間盤(左)的替換，并最終希望用于人類身上

同樣，馬里蘭州羅克維爾市的生物制藥公司TissueGene正在開發(fā)一種TG-D的產(chǎn)品，該產(chǎn)品采用基因工程同種異體細(xì)胞以修復(fù)椎間盤。TG-D是由人類軟骨細(xì)胞構(gòu)成的，能產(chǎn)生β-1轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子，一種能夠刺激生產(chǎn)更多軟骨細(xì)胞和其他增加椎間盤基質(zhì)細(xì)胞的蛋白。

紐約西奈山醫(yī)學(xué)院機(jī)械工程師詹姆斯·拉特里迪斯（James Iatridis）指出，通過(guò)針刺的方法向椎間盤中注射任何類型的細(xì)胞都會(huì)引來(lái)麻煩，因?yàn)獒樋仔枰钛a(bǔ)。拉特里迪斯將纖維蛋白做過(guò)改性，一種參與血液凝固的蛋白，通常用作手術(shù)的粘合或密封，其硬度與纖維環(huán)的機(jī)械性能不相上下，而且作為針孔密封劑已經(jīng)在動(dòng)物模型上做過(guò)測(cè)試，也進(jìn)行過(guò)組織培養(yǎng)。這是一種可注射的密封劑，對(duì)于局部治療可能非常實(shí)用，修復(fù)更大范圍的損傷也可以采用類似的策略。拉特里迪斯說(shuō)，“我的夢(mèng)想是，作為一名外科醫(yī)生可以用一根針和兩個(gè)注射器先行實(shí)施細(xì)胞注入療法，然后再修復(fù)針孔，使椎間盤恢復(fù)到健康的生物力學(xué)狀態(tài)?！?/p>

這些療法可以避免大面積的修復(fù)勞作。例如，出現(xiàn)早期椎間盤疾病跡象的年輕病人，則可以受益于此法的治療，從而能阻止任何的進(jìn)一步損傷，延緩疾病的發(fā)展。

更換纖維環(huán)

費(fèi)城賓夕法尼亞大學(xué)生物工程師杰森·伯迪克（Jason Burdick）和羅伯特·莫克（Robert Mauck）的想法是，不用去修復(fù)被壓扁的椎間盤，而是希望用生物材料來(lái)代替它。我們開始從已知體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的分子著手。很好的例證就是透明質(zhì)酸。通過(guò)化學(xué)改性，研究人員可以將其變成多種形式，包括水凝膠，通常用作組織修復(fù)。

但是，設(shè)計(jì)一個(gè)新的椎間盤需要找對(duì)合適的材料。纖維環(huán)由15-25同心環(huán)組成，就象圓型樹干一樣，除了膠原蛋白外，要被彈性蛋白纖維隔離開。層纖維在方向上也是相互交替的，在一個(gè)環(huán)內(nèi)的層纖維角度高于椎間盤平面約30度，在接下來(lái)的環(huán)中的層纖維方向低于平面30度等等。這樣的布局能讓椎間盤具備一定的強(qiáng)度。莫克、伯迪克及他們的同事特拉華大學(xué)的道恩·艾略特采用了靜電紡絲法，從液體中生成精細(xì)的纖維，使其構(gòu)架于生長(zhǎng)的干細(xì)胞上。

不能過(guò)度承諾

研究人員希望利用這些技術(shù)制作出新的椎間盤，目前，他們正在對(duì)試驗(yàn)鼠尾巴進(jìn)行測(cè)試。菲克提出警告：“如果承諾過(guò)度，會(huì)對(duì)我們的領(lǐng)域產(chǎn)生不利影響?！彼磉_(dá)的意思是，在某些方面工作進(jìn)展的順利，并非代表著在其他方面也一切都好。

紐約伊薩卡康奈爾大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師勞倫斯·波那薩（Lawrence Bonassar）做過(guò)一些最先進(jìn)的椎間盤替換工作。他和他的同事們利用藻酸鹽中另一種糖鏈的髓核細(xì)胞生成的、懸浮在果凍狀膠原蛋白上的纖維細(xì)胞環(huán)設(shè)計(jì)了一個(gè)椎間盤，他們制成了兩塊組織，并將它們復(fù)合在一起協(xié)同工作。他的團(tuán)隊(duì)利用這種結(jié)構(gòu)替換了老鼠尾巴上的一塊椎間盤，經(jīng)歷半年的試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，老鼠尾巴的功能作用一切正常。我們?cè)O(shè)問，如果為我們自己的身體更換一個(gè)健康的椎間盤，讓其融入周圍的脊柱，以便承載正常的身體負(fù)荷模式，波那薩肯定地說(shuō)，這樣的結(jié)果一定會(huì)受到大眾歡迎的。

波那薩坦承，畢竟老鼠的尾巴與人類的腰部或頸部是有很大區(qū)別的。下一步將測(cè)試狗脖子上的椎間盤。一來(lái)可以幫助治療患有頸椎疾患的狗，再者還可以為人類的研究提供借鑒。波那薩正試圖將源于人類骨髓的細(xì)胞應(yīng)用到他的基因工程椎間盤上，直至向人類提供最終的應(yīng)用。

量身定做

設(shè)計(jì)本身并不能創(chuàng)建一次治療過(guò)程。 然而，當(dāng)你開發(fā)出生物材料的椎間盤時(shí)，你還需要去適應(yīng)它，因此工程師們必須要與外科醫(yī)生通力合作。莫克說(shuō),“外科醫(yī)生會(huì)問，在患者尚未出現(xiàn)麻痹癥狀前，我們?cè)撊绾翁幹?”除了設(shè)計(jì)上要滿足施加到椎間盤上的機(jī)械限制，以及生化限制要求外，還必須落實(shí)到位，并得以保持。

要讓一個(gè)通過(guò)生物工程改造的椎間盤落實(shí)到位，這本身就構(gòu)成了一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。波那薩團(tuán)隊(duì)給老鼠制成的尾巴上椎間盤，其厚度是其間隙厚度的兩倍，椎骨被展開之后，插入椎間盤，放松脊椎，讓受壓的椎間盤擠入椎骨之間就位。如果是較大型動(dòng)物，可能會(huì)需要用膠水或手術(shù)縫合的方式來(lái)加以穩(wěn)固。在此方面，則需要進(jìn)行研究和測(cè)試才能確認(rèn)穩(wěn)固生物工程椎間盤的最佳方式。

大量的研究正在進(jìn)行當(dāng)中，以期開發(fā)出能夠利用生物材料制成的椎間盤替代物，且在施用于人類之前，更需要做大量的測(cè)試工作。人們不禁會(huì)問，在已有金屬或塑料椎間盤存在的情況下，這種努力還值得嗎?有幾個(gè)原因能證明是值得的?！皩?duì)于人工椎間盤而言，一旦將其放入體內(nèi)，你就無(wú)法控制它的延續(xù)時(shí)間。波那薩稱，通過(guò)對(duì)比顯示，他的生物工程椎間盤，隨著時(shí)間的推移，這種椎間盤會(huì)變得越發(fā)地結(jié)實(shí)，因?yàn)橛屑?xì)胞在生長(zhǎng)和增殖。另外，如果其中一個(gè)椎間盤發(fā)生了損壞，身體就會(huì)將其任何碎片吸收，因?yàn)樗麄兌际怯米匀徊牧现瞥傻摹?/p>

此外，生物工程部件可以作為更現(xiàn)實(shí)的替代品，其性能優(yōu)于金屬，因?yàn)樗麄兯瞥傻牟牧细咏匀唤Y(jié)構(gòu)。此外，生物工程部件，由于其所具有的相似成分，還能與周圍組織融合得更好。

即使是現(xiàn)在，在治療脊柱損傷的某些最先進(jìn)的療法中也有使用天然材料的案例。相信在不久的將來(lái)，會(huì)有更多的生物材料行將得到使用，允許部分椎骨通過(guò)刮骨再造。決不能忽視生物學(xué)上的再造修復(fù)能力。