聲學(xué)功能神經(jīng)導(dǎo)管用于修復(fù)周圍神經(jīng)損傷

趙慧嘉，鄭元義，孫 迪*

(1.上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)科 上海超聲醫(yī)學(xué)研究所，上海 200233；2.錦州醫(yī)科大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，遼寧 錦州 121000)

全球范圍內(nèi),周圍神經(jīng)損傷占創(chuàng)傷性疾病的1.5%～4.0%[1]。隨著再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展，針對神經(jīng)損傷的修復(fù)治療方法漸趨精準(zhǔn)、多樣，但對一期無法縫合的長段損傷或較復(fù)雜神經(jīng)損傷，“金標(biāo)準(zhǔn)”治療方案仍為自體神經(jīng)移植[2]，而供體有限、供區(qū)功能損害及神經(jīng)纖維不匹配等原因使其臨床應(yīng)用受限[3]。此外，促進(jìn)神經(jīng)修復(fù)再生的方法還包括生物刺激(神經(jīng)營養(yǎng)因子、維生素、藥物等)和物理刺激(電、磁場、激光、沖擊波等)[4-5]，但均有其局限性[6]。近年，低強(qiáng)度脈沖超聲(low intensity pulsed ultrasound， LIPUS)以其無創(chuàng)、安全、高滲透及低衰減等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，可作為促進(jìn)周圍神經(jīng)再生的物理方法；由生物可降解功能材料制成的神經(jīng)導(dǎo)管(nerve guidance conduit， NGC)也展現(xiàn)出良好應(yīng)用前景[7]，其對外界刺激(電場、磁場、光、聲等)具有獨(dú)特響應(yīng)性，能準(zhǔn)確定位靶神經(jīng)，可在外界刺激下引導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞生長和組織再生，用于治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病極具潛力[7]。本文就LIPUS聯(lián)合聲學(xué)功能NGC修復(fù)周圍神經(jīng)損傷研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 LIPUS修復(fù)周圍神經(jīng)損傷生物效應(yīng)

臨床通常將治療性超聲波分為高強(qiáng)度和低強(qiáng)度。高強(qiáng)度超聲(>3 W/cm2)主要利用熱效應(yīng)破壞組織，在腫瘤治療、組織消融等方面發(fā)揮極大價值。而低強(qiáng)度超聲(≤1 W/cm2)僅提供非熱效應(yīng)，不會造成組織損傷[8]，主要被用于促進(jìn)神經(jīng)生物組織再生，例如加速骨折愈合及軟組織再生[9]；特別是用于修復(fù)外周神經(jīng)，LIPUS可抑制神經(jīng)炎癥因子、緩解受壓神經(jīng)和恢復(fù)神經(jīng)傳導(dǎo)，從而間接促進(jìn)受損神經(jīng)的恢復(fù)和再生[5]。

MOURAD等[10]應(yīng)用LIPUS(0.25 W/cm2，2.25 MHz)經(jīng)皮刺激神經(jīng)軸突損傷大鼠，14天后大鼠足部功能恢復(fù)加速；DAESCHLER等[6]研究顯示，超聲治療組大鼠坐骨神經(jīng)傳導(dǎo)速度明顯加快，且軸突再生增多，髓鞘增厚，運(yùn)動功能明顯改善；VENTRE等[11]研究表明，LIPUS治療組大鼠神經(jīng)元的突起總數(shù)、平均突起長度及二次軸突分支均有所增加，以上均證明LIPUS可加快周圍神經(jīng)功能恢復(fù)，對周圍神經(jīng)再生的驅(qū)動機(jī)制具有促進(jìn)和增強(qiáng)潛力。HAFFEY等[12]首次基于腕管綜合征動物模型和臨床模型共同評估LIPUS對神經(jīng)組織的再生效果，證明LIPUS是一種促進(jìn)神經(jīng)再生極具前景的非侵入性治療手段。

2 LIPUS修復(fù)周圍神經(jīng)作用機(jī)制

施萬細(xì)胞是周圍神經(jīng)系統(tǒng)重要膠質(zhì)細(xì)胞，與其分泌的神經(jīng)營養(yǎng)因子均為周圍神經(jīng)微環(huán)境的重要構(gòu)成成分。LIPUS可通過加快施萬細(xì)胞增殖、增加神經(jīng)營養(yǎng)因子分泌而加快軸突、髓鞘再生，進(jìn)而促進(jìn)損傷神經(jīng)修復(fù)[13]。

2.1 施萬細(xì)胞增殖 周圍神經(jīng)損傷后，其遠(yuǎn)端將發(fā)生沃勒變性。神經(jīng)再生分為損傷期和增殖期兩個階段，施萬細(xì)胞在其中均起關(guān)鍵作用。損傷之初，施萬細(xì)胞招募巨噬細(xì)胞吞噬軸突破裂后的碎片，此時LIPUS可增加施萬細(xì)胞活性和數(shù)量，以更快地清除碎片，刺激損傷階段進(jìn)入增殖期；在增殖期，施萬細(xì)胞為再生的軸突提供營養(yǎng)支持，LIPUS可加快靶肌肉重新支配，減少纖維變性，刺激周圍神經(jīng)再生[5]。TSUANG等[14]將LIPUS(0.3 W/cm2，1 MHz)用于培養(yǎng)施萬細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)施萬細(xì)胞凋亡減少，白細(xì)胞介素-1、腫瘤壞死因子-α等基因表達(dá)上調(diào)，表明LIPUS可促進(jìn)施萬細(xì)胞增殖及周圍神經(jīng)恢復(fù)。REN等[15]認(rèn)為LIPUS很可能系通過增強(qiáng)糖原合酶激酶(glycogen synthase kinase， GSK)-3β/β-連環(huán)蛋白(catenin)信號通路促進(jìn)施萬細(xì)胞的存活和增殖。

2.2 增加神經(jīng)營養(yǎng)因子 神經(jīng)營養(yǎng)因子家族的3個重要組成部分，即神經(jīng)生長因子(nerve growth factor， NGF)、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor， BDNF)及神經(jīng)營養(yǎng)因子-3(neurotrophin 3， NT-3)，均可促進(jìn)周圍神經(jīng)損傷后神經(jīng)修復(fù)、軸突再生甚至髓鞘生成[16]。LIPUS通過傳遞機(jī)械能刺激增強(qiáng)細(xì)胞膜通透性、加強(qiáng)血液循環(huán)[17]，促進(jìn)局部血管新生、神經(jīng)萌發(fā)及釋放更多神經(jīng)營養(yǎng)因子。

2.2.1 NGF NGF在神經(jīng)營養(yǎng)因子家族中占主導(dǎo)地位，對體內(nèi)、外靶神經(jīng)元存活和突起生長均具重要作用，并能促進(jìn)周圍神經(jīng)再生。CHEN等[5]以LIPUS(0.25 W/cm2，1 MHz)干預(yù)治療組坐骨神經(jīng)損傷大鼠，之后其坐骨神經(jīng)功能指數(shù)、感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度及NGF表達(dá)均高于對照組，提示LIPUS治療可促進(jìn)坐骨神經(jīng)損傷后早期再生和功能恢復(fù)，誘導(dǎo)NGF表達(dá)上調(diào)可能是其主要作用機(jī)制。XIA等[18]發(fā)現(xiàn)LIPUS可上調(diào)神經(jīng)嵴干細(xì)胞中NGF受體的表達(dá)，與神經(jīng)細(xì)胞的存活或死亡相關(guān)。

2.2.2 BDNF BDNF不僅是調(diào)節(jié)記憶及認(rèn)知功能的關(guān)鍵分子[19]，還能促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的生長和分化。NI等[17]以LIPUS干預(yù)周圍神經(jīng)損傷大鼠，發(fā)現(xiàn)其坐骨神經(jīng)功能指數(shù)、復(fù)合肌肉動作電位、靶肌肉濕重比、損傷神經(jīng)和同側(cè)背根神經(jīng)節(jié)BDNF的mRNA表達(dá)均升高，提示LIPUS可能通過刺激BDNF釋放而促進(jìn)損傷神經(jīng)再生修復(fù)。LIPUS可通過酪氨酸激酶B(tyrosine kinase B， TrkB)/Akt[又稱蛋白激酶B(protein kinase B)]-環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein， CREB)信號通路刺激神經(jīng)回路提高BDNF水平[20]、上調(diào)BDNF蛋白表達(dá)，進(jìn)而抑制細(xì)胞凋亡進(jìn)程，有利于保護(hù)受損神經(jīng)及治療退行性神經(jīng)疾病[21]。近期研究[22]證明，LIPUS(0.14 W/cm2)可上調(diào)BDNF基因和蛋白表達(dá)，快速修復(fù)大鼠損傷神經(jīng)。

2.2.3 NT-3 NT-3不僅是神經(jīng)存活、生長發(fā)育和神經(jīng)元分化的重要調(diào)節(jié)因子，還是重要自分泌因子，支持施萬細(xì)胞在無軸突情況下存活和分化。ZHANG等[23]發(fā)現(xiàn)，以LIPUS(0.1 W/cm2，1 MHz)刺激，14天后治療組大鼠損傷坐骨神經(jīng)的NT-3的mRNA表達(dá)明顯高于對照組，提示LIPUS可通過促進(jìn)NT-3基因表達(dá)而修復(fù)神經(jīng)損傷。

3 LIPUS聯(lián)合聲學(xué)功能NGC

NGC可連接損傷神經(jīng)近端和遠(yuǎn)端，為長距離缺損神經(jīng)的軸突再生提供物理及生化微環(huán)境，目前已成為替代自體神經(jīng)移植的理想方案[24]。聯(lián)合應(yīng)用LIPUS與NGC可進(jìn)一步促進(jìn)周圍神經(jīng)再生，甚至可能獲得與自體神經(jīng)移植相當(dāng)?shù)寞熜А?/p>

3.1 壓電納米NGC 電刺激用于修復(fù)周圍神經(jīng)損傷十分有效[4]，但通常需要侵入性經(jīng)皮電極或經(jīng)皮設(shè)備，存在一定局限性。外部超聲波可作為無線工具，在組織和細(xì)胞水平充當(dāng)納米換能器而實(shí)現(xiàn)間接電刺激，有助于克服當(dāng)前電刺激治療的不足[25]。

超聲波可驅(qū)動直流納米發(fā)電機(jī)，通過壓電氧化鋅納米線陣列將納米級機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，以實(shí)現(xiàn)納米材料外部供電[26]。MARINO等[27]將壓電納米粒與超聲波相結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)了超聲驅(qū)動下的神經(jīng)刺激，通過介導(dǎo)軸突生長和神經(jīng)元分化而調(diào)節(jié)體內(nèi)神經(jīng)元活動。GENCHI等[28]研究證實(shí)，聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)[poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene)， P(VDF-TrFE)]/鈦酸鋇納米顆粒(barium titanate nanoparticles， BTNP)復(fù)合膜具有超聲可激活壓電性，可用于無線神經(jīng)元刺激；超聲刺激后，P(VDF-TrFE)/BTNP薄膜的軸突長度顯著增加，可進(jìn)一步刺激神經(jīng)細(xì)胞分化，促進(jìn)損傷神經(jīng)再生與恢復(fù)。WU等[29]采用P(VDF-TrFE)纖維支架進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示該纖維支架可支持施萬細(xì)胞生長、延伸神經(jīng)突起及形成髓鞘，有助于促進(jìn)修復(fù)神經(jīng)損傷。2020年，QIAN等[30]以1 W/cm2的LIPUS刺激體外施萬細(xì)胞，使之在氧化鋅/聚己內(nèi)酯納米生物支架上形成長突起，并表達(dá)增殖蛋白、神經(jīng)蛋白和血管生成蛋白，最終提高了對于周圍神經(jīng)損傷再生修復(fù)至關(guān)重要的生物電導(dǎo)率。

3.2 聚乳酸-羥基乙酸[poly(lactic-co-glycolic acid)， PLGA]/普朗尼克(Pluronic)-F127 NGC CHANG等[31]通過體外觀察經(jīng)LIPUS(0.05 W/cm2)處理的PLGA導(dǎo)管組與對照組，發(fā)現(xiàn)PLGA導(dǎo)管組施萬細(xì)胞乳酸脫氫酶釋放減少、四甲基偶氮唑鹽升高，提示LIPUS有助于施萬細(xì)胞存活和增殖；另將接種施萬細(xì)胞的PLGA NGC植入大鼠右側(cè)15 mm坐骨神經(jīng)缺損處，并予LIPUS(0.3 W/cm2、1 MHz)治療，與假手術(shù)組相比，脈沖超聲刺激PLGA組再生軸突數(shù)量和面積均顯著增加，進(jìn)一步證實(shí)LIPUS聯(lián)合PLGA NGC可提高橋接周圍神經(jīng)缺損成功率，促進(jìn)NGC內(nèi)軸突再生。PARK等[32]將以PLGA/F127為原料的NGC植入坐骨神經(jīng)缺損大鼠模型皮下，經(jīng)過超聲輻照，該處神經(jīng)再生速度、面積、軸突直徑和髓鞘厚度均明顯高于對照組，提示LIPUS可促進(jìn)周圍神經(jīng)在PLGA/Pluronic-F127 NGC內(nèi)的再生率，從形態(tài)和功能方面充分恢復(fù)周圍神經(jīng)。

3.3 多潛能干細(xì)胞源性神經(jīng)嵴干細(xì)胞(induced pluripotent stem cell-neural crest stem cell， IPSC-NCSC)NGC 2013年，LV等[33]經(jīng)體外驗(yàn)證了LIPUS(0.5 W/cm2)作用于IPSC-NCSC NGC可促進(jìn)神經(jīng)再生和功能恢復(fù)的假說；隨后采用0.3 W/cm2的LIPUS刺激IPSC-NCSC NGC，以治療坐骨神經(jīng)損傷大鼠，結(jié)果顯示大鼠坐骨神經(jīng)功能指數(shù)和神經(jīng)傳導(dǎo)速度均明顯改善，提示二者聯(lián)合應(yīng)用可促進(jìn)坐骨神經(jīng)橫斷后再生和重建，加快血管生成及神經(jīng)元分化[34]。2019年，該課題組[35]聯(lián)合應(yīng)用全氟三丁胺(perfluorotributylamine， PFTBA)和生長分化因子5(growth differentiation factor 5， GDF5)，觀察以LIPUS干預(yù)含IPSC-NCSC+PFTBA+GDF5的同種異體脫細(xì)胞NGC對坐骨神經(jīng)損傷的修復(fù)效果，發(fā)現(xiàn)LIPUS可通過黏著斑激酶(focal adhesion kinase， FAK)-細(xì)胞外信號調(diào)控激酶(extracellular signal-regulated kinase， ERK)信號通路促進(jìn)IPSC-NCSC增殖、分化及改變細(xì)胞骨架形態(tài)，證實(shí)LIPUS對促進(jìn)周圍神經(jīng)組織修復(fù)具有一定刺激作用。

4 小結(jié)與展望

近年來，雖然多項(xiàng)研究支持LIPUS及聲學(xué)功能NGC促進(jìn)周圍神經(jīng)損傷修復(fù)的假說，但大多不涉及作用機(jī)制，且缺乏LIPUS最佳參數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。未來研究應(yīng)注重探索LIPUS效應(yīng)機(jī)制，積極促進(jìn)LIPUS及聲學(xué)功能NGC的臨床轉(zhuǎn)化。作為無創(chuàng)、安全、便捷的治療方法，LIPUS在周圍神經(jīng)損傷中的應(yīng)用前景值得期待，其與生物功能材料研發(fā)聯(lián)合，有望在組織工程學(xué)和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得極大發(fā)展。