郭 棟,楊于冰,賀西京
(西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院骨科,西安 710004;*通訊作者,E-mail:xijing_h@vip.tom.com)
脊髓損傷(spinal cord injury, SCI)是一種高致殘性的疾病,直接影響患者的生活質(zhì)量[1]。由于脊髓損傷后損傷區(qū)的抑制微環(huán)境會(huì)影響神經(jīng)元的修復(fù)和再生,因此組織工程策略受到了極大關(guān)注。細(xì)胞移植可以促進(jìn)支架整合和提高損傷神經(jīng)再生潛能。對(duì)于脊髓損傷,生物支架可以為細(xì)胞遞送基質(zhì),橋接脊髓病變腔,在結(jié)構(gòu)和化學(xué)上支持軸突再生,并刺激宿主組織再生,以改善患者生活質(zhì)量[2]。作為生物支架的一種,水凝膠的物理特性可以較好地模擬中樞神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),共同支持和指導(dǎo)軸突再生[3]。另外,開發(fā)混合基質(zhì)及運(yùn)用先進(jìn)的生物3D打印技術(shù)也是脊髓損傷修復(fù)的一種方法,可以綜合不同材料的特性和運(yùn)用個(gè)性化的前沿技術(shù),從而促進(jìn)脊髓損傷的修復(fù),在國內(nèi)外已發(fā)表了大量的相關(guān)研究文獻(xiàn)[4-8]。本文通過對(duì)高質(zhì)量文獻(xiàn)的分析進(jìn)而揭示高分子生物支架在脊髓損傷領(lǐng)域的研究方向。
自2010年以來,在該領(lǐng)域出現(xiàn)了許多研究,對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的文獻(xiàn)計(jì)量分析是必要和有意義的[9]。因此本文對(duì)科學(xué)網(wǎng)(Web of Science,WoS)中的核心合集進(jìn)行可視化分析,首先通過對(duì)作者、機(jī)構(gòu)和國家之間的合作關(guān)系,同時(shí)對(duì)參考文獻(xiàn)、作者和期刊進(jìn)行了共被引情況進(jìn)行分析,以明確該領(lǐng)域的研究基礎(chǔ),進(jìn)一步對(duì)作者、被引文獻(xiàn)和關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類分析,并對(duì)關(guān)鍵詞的突現(xiàn)分析獲得該研究領(lǐng)域的前沿知識(shí)和研究趨勢,為在該領(lǐng)域的研究提供借鑒。
2021年12月5日,在WoS核心合集(SCI-EXPANDED,CPCI-S,CCR-EXPANDED和IC)中檢索與“脊髓損傷中生物支架的應(yīng)用”相關(guān)的文章。檢索公式為(TS=["spinal cord injur*"])and(TS=["scaffold" or "hydrogel" or "biological scaffold"])。檢索期設(shè)定為2010年至2021年,共檢索出文獻(xiàn)1 084篇,剔除社論材料、信函和撤回的出版物等文獻(xiàn)9篇,共納入文獻(xiàn)1 075篇。文件類型包括論著、綜述、會(huì)議摘要和會(huì)議論文。
首先,基于WoS的文獻(xiàn)分析了解有關(guān)年發(fā)文量、作者、期刊、機(jī)構(gòu)、國家/地區(qū)和資助基金的一般信息。然后,使用CiteSpace軟件(5.8.R1)研究作者、機(jī)構(gòu)和國家之間的合作關(guān)系。第三,對(duì)參考文獻(xiàn)、作者和期刊進(jìn)行共被引情況分析,明確該領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)。第四,通過對(duì)作者、被引文獻(xiàn)和關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類分析和對(duì)關(guān)鍵詞的突現(xiàn)分析獲得研究熱點(diǎn)、前沿知識(shí)和研究趨勢。
2010—2021年度脊髓損傷中生物支架的應(yīng)用這一研究領(lǐng)域總體的發(fā)文趨勢見圖1。2010年,有54篇文章發(fā)表,近10年發(fā)文量呈上升趨勢,從2018年開始超過100篇。2020年,達(dá)到了142篇文章的峰值,2021年略有下降至116篇。目前關(guān)于生物支架應(yīng)用于脊髓損傷的研究處于較好的發(fā)展階段,具有良好的研究前景。
圖1 生物支架在治療脊髓損傷中研究應(yīng)用的年度發(fā)文量趨勢Figure 1 Annual number of publications on the application of biological scaffold in the treatment of spinal cord injury
總共有1 329個(gè)資金來源支持了該領(lǐng)域的研究。前十大資金來源見表1,中國國家自然科學(xué)基金、美國國立衛(wèi)生研究院、美國衛(wèi)生與公眾服務(wù)部是前三大資金來源。
表1 支持生物支架在治療脊髓損傷中研究應(yīng)用的十大資金來源Table 1 Ten funding sources supporting the studies on application of biological scaffold in the treatment of spinal cord injury
2.2.1 合作網(wǎng)絡(luò)分析 共有4 827位作者被納入,頻次前10位的是Dai JW(44)、Xiao ZF(40)、Zhao YN(36)、Molly S Shoichet(36)、Chen B(31)、Li X(24)、Zeng YS(21)、Filippo Rossi(20)、Zhang S(17)和Zeng X(16)。影響力相對(duì)較高的作者為Dai JW,其研究的主要內(nèi)容是脊髓損傷微環(huán)境的動(dòng)態(tài)病理生理變化、用于脊髓損傷修復(fù)的生物材料、脊髓結(jié)構(gòu)和功能恢復(fù)策略、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型、再生機(jī)制以及脊髓損傷修復(fù)的臨床研究[10-17]。Dai JW與Xiao ZF、Zhao YN、Chen B、Li X和Han SF等建立合作關(guān)系。Zhao YN為Dai JW與Xiao ZF兩個(gè)團(tuán)隊(duì)間合作的橋梁,其在該領(lǐng)域主要研究內(nèi)容為治療脊髓損傷和心肌梗死的功能性生物材料,同時(shí)還包括靶向遞送和響應(yīng)式釋放用于組織再生的藥物[18-20]。
2.2.2 作者共被引分析 共被引的概念被用作衡量文獻(xiàn)之間關(guān)系程度的研究方法。作者共被引分析的可視化圖譜見圖2,排名前10位的共被引頻次和中心度見表2。共引的概念是用作衡量文獻(xiàn)之間關(guān)系程度的研究方法。Basso DM(204)的研究主要集中在脊髓損傷后的行為學(xué)評(píng)估及相關(guān)生物學(xué)標(biāo)志物等[21-23],其在1995年發(fā)表的一篇文章被引頻次達(dá)到了1 371次。Lu P(171)主要研究用于細(xì)胞移植治療脊髓損傷的高分子材料和基因在脊髓損傷修復(fù)中的作用機(jī)制,其分別在2012年,2019年和2020年于Cell[24],NatureMedicine[8]和Nature[25]發(fā)表了重要研究成果。Lu P將3D仿生支架創(chuàng)新性地應(yīng)用于修復(fù)脊髓損傷,提供了一種通過精準(zhǔn)醫(yī)療增強(qiáng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)再生的方法[8]。同時(shí)在最近的一項(xiàng)研究中證明亨廷頓基因(Htt)是再生轉(zhuǎn)錄組的中心樞紐,Htt的缺失明顯減弱了再生,這表明Htt在損傷后的神經(jīng)可塑性中起著關(guān)鍵作用[25]。
表2 被引頻次最多和中心度排名前10的作者Table 2 Top 10 authors with highest frequency and centrality
2.2.3 作者聚類分析 將4 827個(gè)作者聚合共得到10個(gè)聚類群標(biāo)簽(見圖3)。在這些作者中,其研究方向主要集中于臨床前評(píng)估、生物工程、生物分子遞送、自組裝多肽納米纖維和自組裝多肽支架的研究。
圖3 作者共被引分析聚類圖Figure 3 Clustering diagram of author co-citation analysis
國家及機(jī)構(gòu)合作關(guān)系圖譜見圖4和圖5。共1 329個(gè)國家/機(jī)構(gòu)被納入,通過分析獲得頻次前五的國家是中國(395)、美國(326)、加拿大(81)、韓國(55)和意大利(54)。中介中心性前五的國家是美國(0.52)、英國(0.32)、德國(0.22)、法國(0.22)和中國(0.20)。頻次前五的機(jī)構(gòu)是中國科學(xué)院(63)、多倫多大學(xué)(56)、中山大學(xué)(50)、南通大學(xué)(29)和德黑蘭大學(xué)(29)。中心度前五的機(jī)構(gòu)是多倫多大學(xué)(0.20)、約翰霍普金斯大學(xué)(0.19)、中國科學(xué)院(0.15)、劍橋大學(xué)(0.12)和清華大學(xué)(0.11)。
圖4 機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)分析可視化圖譜Figure 4 Visual graph of institution cooperation network analysis
圖5 國家合作網(wǎng)絡(luò)分析可視化圖譜Figure 5 Visual map of national cooperation network analysis
來自中國和美國大學(xué)的研究機(jī)構(gòu)影響力較高,在該領(lǐng)域的研究中以中國最多,其次為美國、加拿大、韓國、意大利等國家。來自中國的中國科學(xué)院與美國、加拿大等國家的合作較多,其研究內(nèi)容包括對(duì)藥物遞送及細(xì)胞遞送對(duì)脊髓損傷后運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)的影響,損傷相關(guān)分子模式和免疫細(xì)胞激活等分子機(jī)制對(duì)脊髓損傷的影響及其相關(guān)生物支架的研究與制備等[26,27]。同時(shí),中國科學(xué)院與蘇州大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)合作較多,其研究領(lǐng)域集中于在負(fù)載藥物或者細(xì)胞的生物支架在脊髓損傷后促進(jìn)血管化和抑制炎癥反應(yīng)對(duì)其功能恢復(fù)的影響[28-30]。
從2010年到2021年,共有361種期刊發(fā)表相關(guān)的研究文獻(xiàn),期刊共被引的可視化圖譜見圖6,被引頻次和中心度最高的前10種期刊見表3和表4。發(fā)文量最高的10種期刊發(fā)表的文獻(xiàn)約占文獻(xiàn)的30.0%。頻次最高前五是Biomaterials(82)、JournalofBiomedicalMaterialsResearchPartA(48)、ActaBiomaterialiA(36)、NeuralRegenerationResearch(34)和TissueEngineeringPartA(24)。期刊類型主要為材料類期刊,Biomaterials是收錄該研究領(lǐng)域文章最多的期刊,處于JCR一區(qū),2020年影響因子12.479,同時(shí)該刊也是被引文獻(xiàn)來源最多的期刊,具有一定的影響力。被引文獻(xiàn)集中來源于Biomaterials(911),ExperimentalNeurology(638),JournalofNeurotrauma(583),JournalofNeuroscience(583)和ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica(577)。此外,引用來自Nature、Science等的文章較多,分別為404和430次。
圖6 期刊共被引分析可視化圖譜Figure 6 Visual map of co-citation analysis of journals
表3 被引頻次最多最高的十大期刊Table 3 Top 10 journals with the highest citation frequency
表4 被引中心度最高的十大期刊Table 4 Top 10 journals with the highest citation centrality
2.5.1 共被引分析 共被引分析的可視化圖譜見圖7,共被引次數(shù)最多的前10篇文獻(xiàn)見表5。研究內(nèi)容主要集中在生物打印技術(shù)構(gòu)建復(fù)雜的三維仿生脊髓微結(jié)構(gòu),水凝膠局部遞送軸突特異性生長因子對(duì)脊髓損傷星形膠質(zhì)細(xì)胞作用的影響,神經(jīng)祖細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞等在水凝膠中的三維培養(yǎng)及分化和可注射水凝膠遞送細(xì)胞對(duì)脊髓損傷功能恢復(fù)的影響等[8,25,27,31,32]。
表5 共被引次數(shù)最多的前10篇文獻(xiàn)Table 5 Top 10 references with most co-citation counts
圖7 文獻(xiàn)共被引分析可視化圖譜Figure 7 Visual map of literature co-citation analysis
2.5.2 聚類分析 對(duì)目標(biāo)文獻(xiàn)進(jìn)行聚類分析,結(jié)果見圖8。在這些文獻(xiàn)中,其研究方向主要集中于脊髓全橫斷,亞急性模型,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),軸突生長,纖維蛋白納米纖維水凝膠,急性脊髓損傷修復(fù)等研究。
圖8 文獻(xiàn)共被引分析聚類圖Figure 8 Cluster diagram of literature co-citation analysis
2.6.1 共詞分析 頻次最高前五的關(guān)鍵詞是脊髓損傷(spinal cord injury)、支架(scaffold)、再生(rege-neration)、水凝膠(hydrogel)和功能恢復(fù)(functional recovery)。中心度前五的是施萬細(xì)胞(Schwann cell)、藥物遞送(drug delivery)、分化(differentiation)、緩釋(controlled release)和生物材料(biomaterial)。頻次及中心度排名前十的關(guān)鍵詞見表6,關(guān)鍵詞的共詞分析網(wǎng)絡(luò)見圖9。熱點(diǎn)關(guān)鍵詞為脊髓損傷、支架、再生、水凝膠、功能恢復(fù)。
表6 出現(xiàn)頻次最多和中心度最高的10個(gè)關(guān)鍵詞Table 6 Top 10 keywords with highest frequency and centrality
圖9 關(guān)鍵詞的共詞分析網(wǎng)絡(luò)圖Figure 9 Co-word analysis network graph of keywords
2.6.2 聚類分析 對(duì)WoS數(shù)據(jù)庫所篩文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類分析,結(jié)果見圖10。在這些關(guān)鍵詞中,主要集中于影響功能恢復(fù)的因素(如空腔形成),生物支架的材料與技術(shù)(如纖維蛋白納米水凝膠支架、可注射明膠、F127)等研究。
圖10 關(guān)鍵詞的共詞分析聚類圖Figure 10 Co-word analysis cluster diagram of keywords
2.6.3 突現(xiàn)分析 通過對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行突現(xiàn)分析來顯示研究熱點(diǎn)與動(dòng)態(tài)前沿,結(jié)果見圖11。對(duì)近10年生物支架在治療脊髓損傷上應(yīng)用的關(guān)鍵詞進(jìn)行突現(xiàn)分析,得到10個(gè)突現(xiàn)詞(見表6)。生物相容性(biocompatibility),引導(dǎo)通道(guidance channel)是2010年突現(xiàn)的研究熱點(diǎn),持續(xù)到2013年。說明這一時(shí)期的研究多集中在制備良好生物相容性的生物支架。間充質(zhì)干細(xì)胞(marrow stromal cell),祖細(xì)胞(progenitor cell)是2012年突現(xiàn)的研究熱點(diǎn),持續(xù)到2016年。說明這一時(shí)期開始關(guān)注不同細(xì)胞在脊髓損傷修復(fù)過程中的作用。促進(jìn)功能恢復(fù)是2014年突現(xiàn)的研究熱點(diǎn),持續(xù)到2017年,與此同時(shí),膠質(zhì)瘢痕(glial scar)在2016年開始成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。最引人注意的是在2018年,包括軸突再生(axon regeneration),膠質(zhì)瘢痕,大腦,細(xì)胞存活,膠原支架和功能恢復(fù)在內(nèi)的多個(gè)關(guān)鍵詞同時(shí)成為熱點(diǎn),這說明在脊髓損傷修復(fù)過程中的多元影響,促進(jìn)細(xì)胞存活的生物支架可以使細(xì)胞能夠在局部持續(xù)發(fā)揮作用,促進(jìn)軸突再生和抑制膠質(zhì)瘢痕形成,而最終的目的是感覺和運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。近兩年,軸突再生持續(xù)成為研究者的研究重點(diǎn)。預(yù)測未來的發(fā)展趨勢是通過制備具有良好生物相容性、符合脊髓生理環(huán)境、有利于軸突生長和細(xì)胞生存的微環(huán)境的復(fù)合生物支架,從而促進(jìn)脊髓損傷后的功能恢復(fù)[2]。
圖11 突現(xiàn)最強(qiáng)的10個(gè)關(guān)鍵詞Figure 11 Top 10 keywords with the strongest bursts
本文首次通過對(duì)近10年生物支架在脊髓損傷(spinal cord injury, SCI)應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn),生物支架用于治療SCI的研究從2010年至2021年文獻(xiàn)量總體呈上升趨勢,發(fā)文量從最低的46篇上升至142篇。在過去的10年里,發(fā)文數(shù)量不斷增加。Biomaterials是刊文量最多,同時(shí)也是被引頻次最多的期刊。Dai JW是在該領(lǐng)域發(fā)文數(shù)最多的作者,在近10年里有46篇文章發(fā)表。Basso DM是該領(lǐng)域最有影響力的作者,他所研究的脊髓損傷后行為學(xué)評(píng)估被眾多研究者所認(rèn)可。發(fā)文數(shù)最多的國家和機(jī)構(gòu)分別是中國和中國科學(xué)院。來自中國、美國、加拿大和德國的研究人員和機(jī)構(gòu)是核心研究力量,與其他國家和機(jī)構(gòu)有著廣泛而密切的合作。
本研究顯示,在生物支架應(yīng)用于SCI的研究中影響力相對(duì)較高的作者為Dai JW,其在該領(lǐng)域研究的主要內(nèi)容是脊髓損傷微環(huán)境的動(dòng)態(tài)病理生理變化、脊髓損傷修復(fù)的生物材料、脊髓結(jié)構(gòu)和功能恢復(fù)策略、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型、再生機(jī)制以及脊髓損傷修復(fù)的臨床研究,由此說明組織工程生物支架在脊髓損傷上的應(yīng)用具有比較成熟,從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)到臨床研究已經(jīng)取得了令人欣喜的成果。中國和美國在發(fā)文量和資助機(jī)構(gòu)數(shù)量均位于前兩名,這說明來自國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)在這一創(chuàng)新性的領(lǐng)域中合作密切。但是在被引頻次的研究顯示具有影響力的作者分別是Basso DM和Lu P。Lu P主要研究神經(jīng)干細(xì)胞、軸突生長和重建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[40,41]。Basso DM的主要研究方向是關(guān)于脊髓損傷后神經(jīng)肌肉恢復(fù)的行為學(xué)研究。而運(yùn)動(dòng)功能的評(píng)估是判斷脊髓損傷治療是否有效的重要途徑[42]。在生物支架用于脊髓損傷的研究中大多涉及運(yùn)動(dòng)功能的評(píng)估,而這正是他的研究被廣泛引用的原因。但是Basso DM在組織工程領(lǐng)域并沒有過多的研究,同時(shí)也沒有與中國團(tuán)隊(duì)的合作。這說明來自于中國和外國的頂級(jí)機(jī)構(gòu)和頂級(jí)作者之間的合作似乎還不夠。在未來可以進(jìn)一步推動(dòng)國內(nèi)外頂級(jí)研究團(tuán)隊(duì)的進(jìn)一步合作。
脊髓損傷是一種永久性、高致殘性的疾病。在早期,局部炎癥反應(yīng)對(duì)于限制急性損傷的程度至關(guān)重要。然而,在此急性期之后,過度的炎癥反應(yīng)會(huì)阻礙軸突再生、新的神經(jīng)元生長和再髓鞘化,導(dǎo)致嚴(yán)重的神經(jīng)功能障礙。因此,許多治療方法被提出逆轉(zhuǎn)脊髓損傷后的不同病理生理過程[38]。在近些年的研究熱點(diǎn)方面,出現(xiàn)最多的關(guān)鍵詞是脊髓損傷、支架、再生、水凝膠和功能恢復(fù)。在此可以看出生物支架在脊髓損傷后功能恢復(fù)的重要性和促進(jìn)神經(jīng)再生的潛力。生物支架為神經(jīng)再生提供可調(diào)節(jié)的生理微環(huán)境,同時(shí)可以為損傷局部提供細(xì)胞遞送、藥物遞送和其他生物活性分子遞送。構(gòu)建合適的促神經(jīng)生長藥物遞送系統(tǒng)與細(xì)胞移植相結(jié)合,從而改善脊髓損傷中的治療效果具有一定的應(yīng)用前景[39]。此外,最有影響力的文章是來自于的Assinck等[32]的“Cell transplantation therapy for spinal cord injury”,Anderson等[31]的“Astrocyte scar formation aids central nervous system axon regeneration”和Koffler等[8]的“Biomimetic 3D-printed scaffolds for spinal cord injury repair”,這3篇文章分別來源于NatureNeuroscience,Nature和NatureMedcine。這一發(fā)現(xiàn)意味著國際頂尖的科學(xué)家在該領(lǐng)域已經(jīng)有了比較可靠的研究基礎(chǔ),如生物打印技術(shù)構(gòu)建復(fù)雜的三維仿生脊髓微結(jié)構(gòu),神經(jīng)祖細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞等在水凝膠中的三維培養(yǎng)及分化和可注射水凝膠遞送細(xì)胞對(duì)脊髓損傷功能恢復(fù)的影響等。結(jié)合突現(xiàn)詞分析可以分析出生物支架發(fā)展的3個(gè)階段,首先以往的研究多集中于制備良好生物相容性的生物支架和探究不同細(xì)胞在脊髓損傷修復(fù)過程中的作用。隨著在生物支架領(lǐng)域的不斷研究,從促進(jìn)軸突再生,抑制膠質(zhì)瘢痕和細(xì)胞存活等多維度促進(jìn)脊髓損傷后的功能恢復(fù)被研究者所關(guān)注。在近些年,為了模擬脊髓本身的復(fù)雜結(jié)構(gòu),尤其是其白質(zhì)和灰質(zhì)具有不同的神經(jīng)元密度和分布,生物3D打印在這方面具有顯著的潛力,目前也有了一定的研究基礎(chǔ),如Koffler等[8]將神經(jīng)祖細(xì)胞與3D生物打印支架支相結(jié)合在大鼠完全脊髓損傷模型中觀察到軸突的再生和功能的改善。同時(shí),傳統(tǒng)的植入式水凝膠支架的問題在于它們可能不能精確地適合不規(guī)則的病變部位,微尺度連續(xù)投影打印方法已經(jīng)被證明可以解決這一問題,這意味著制造的支架將是個(gè)性化的支架,完全適應(yīng)患者的病變[8,43]。也有研究表明,電刺激可以引導(dǎo)軸突定向延伸,從而促進(jìn)神經(jīng)再生,這意味著進(jìn)一步的研究工作可以在水凝膠中使用導(dǎo)電聚合物[44-46]。而導(dǎo)電聚合物在生物3D打印領(lǐng)域還沒有被進(jìn)一步研究。此外,構(gòu)建合適的促神經(jīng)生長藥物遞送系統(tǒng)與細(xì)胞移植相結(jié)合,從而改善脊髓損傷中的治療效果也有一定的前景[34]??偟膩碚f,這可能預(yù)示著未來的研究方向是通過制備具有良好生物相容性、符合脊髓生理環(huán)境、有利于軸突生長和細(xì)胞生存的微環(huán)境的定制化復(fù)合生物支架來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療,從而促進(jìn)脊髓損傷后的功能恢復(fù)。
通過對(duì)以上內(nèi)容分析,可以了解該領(lǐng)域目前的整體研究情況,但是也具有一定的局限性。首先,未被WoS核心數(shù)據(jù)庫收錄的文獻(xiàn)沒有被納入研究。此外,盡管搜索文獻(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)定義了研究的主題,但我們不能保證每個(gè)文件都與該主題完全相符。但是,我們認(rèn)為,這項(xiàng)研究可以反應(yīng)該領(lǐng)域的總體情況和總體趨勢,可以為國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域的研究提供參考。