综述：脊髓损伤修复的新兴策略：干细胞、细胞外囊泡、生物材料和神经调控

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Emerging strategies for spinal cord injury repair: stem cells, extracellular vesicles, biomaterials, and neuromodulation

　　

脊髓损伤（SCI）是一种破坏性疾病，常导致永久性残疾。SCI后的修复和功能恢复受到其病理生理学复杂性以及中枢神经系统（CNS）内神经再生固有挑战的阻碍。尽管经过数十年的研究试图阐明其病理机制并开发促进轴突再生和回路重建（circuit rewiring）的有效策略，但成功的治疗效果仍然有限。生物活性材料和干细胞技术的最新进展已将研究焦点从单纯刺激皮质脊髓束再生转向构建中间神经网络以促进神经修复和回路重建。同时，通过物理方式（如电、磁和超声刺激）调节神经活动的新兴技术正在迅速发展。在这些新兴策略中，包括干细胞疗法、基于生物材料的干预和电磁刺激在内的几种已推进到临床试验阶段，部分已进入临床实践。本综述总结了SCI修复中的主要当代策略和研究进展。它详细阐述了干细胞和细胞外囊泡疗法、生物材料应用以及神经调控技术的机制和最新发展。最后，讨论了未来的治疗方向以及临床转化中的持续挑战。

论文主体部分总结如下：

**1 引言**
脊髓损伤（SCI）是一种高致残率的中枢神经系统疾病，其病理生理涉及原发性和继发性损伤阶段。原发性损伤源于外力导致血管和组织的机械性撕裂；继发性损伤则扩展为细胞器功能障碍和多种调节性细胞死亡（RCD）模式，如线粒体质量控制（MQC）失败、铁死亡（ferroptosis）、PANoptosis和铜死亡（cuproptosis），这些通路与损伤微环境的代谢状态紧密耦合。此外，损伤远端的星形胶质细胞（LRAs）通过分泌CCN1蛋白重编程小胶质细胞的脂质代谢，以清除富含脂质的髓鞘碎片，提示未来治疗需扩展至损伤腔以外的胶质网络。临床干预（如急性手术减压和药物神经保护）虽不可或缺，但未能启动活跃的实质再生。因此，综述聚焦于干细胞、细胞外囊泡（EVs）、生物材料和神经调控等新兴策略，它们可通过协同作用重塑抑制性微环境、促进神经再生及电路重建。

**2 当前临床管理与转化瓶颈**
**2.1 手术减压与稳定：重建物理微环境**
急性手术减压和内固定仍是缓解机械压力、恢复椎管通畅的标准方案。关键试验（STASCIS）支持伤后24小时内进行早期减压，可提高6个月后美国脊髓损伤协会损伤分级（AIS）的神经改善率，且不显著增加围手术期风险。然而，减压术会留下含有抑制性髓鞘碎片的物理腔隙和缺血性微环境，这为后续原位施用生物材料支架或细胞提供了理想的空间窗。

**2.2 当前药物治疗与分子屏障：递送瓶颈**
系统性药物治疗（如高剂量甲泼尼龙琥珀酸钠（MPSS））因血-脊髓屏障（BSCB）限制导致生物利用度差及全身副作用，临床地位存在争议。这一瓶颈直接催生了靶向工程化递送系统（如细胞外囊泡或水凝胶载体）的需求，以实现跨越生物屏障的局部、时空可控分子调控。

**2.3 常规康复与主动神经调控：回路重建挑战**
慢性期管理依赖标准物理治疗，但在完全或不完全SCI中，由于脊髓休克抑制了下病灶网络兴奋性，来自运动皮层的下行驱动不足以再激活腰骶中央模式发生器（CPGs）。常规康复缺乏主动的内在触发因素来驱动可塑性，必须将物理训练与主动神经调控结合，以降低回路重组所需的突触阈值。

**3 SCI中多模式协同治疗的理论基础与设计**
SCI是动态病理过程，单一疗法效果有限。多模式治疗需遵循三个原则：病理匹配（干预与不同阶段的主导障碍对齐）、时空协调（根据病变演变递送治疗）和功能整合（建立从微环境调节到结构重建再到回路再激活的连贯修复序列）。设计时需兼顾翻译可行性，避免过度复杂化。

**4 干细胞疗法：由多重协同机制驱动的再生策略**
干细胞疗法已从简单的细胞替代转变为以旁分泌信号介导的微环境重塑为核心。移植的干细胞作为生物活性枢纽，分泌神经营养因子（如BDNF、GDNF）、免疫调节因子（如IL-10、TGF-β）和促血管生成因子（如VEGF），从而抑制神经炎症、促进轴突再生和髓鞘形成。基础研究中取得突破：人胚胎干细胞来源的脊髓神经干细胞（H9-scNSCs）在恒河猴中完全填充病变腔并形成功能性突触；药物安帕凯（ampakine）CX546通过增强AMPAR信号激活内源性室管膜神经干细胞（epNSPCs）；转录组分析揭示Htt基因驱动受损神经元中的“再生转录组”，药物硫代泛（thiorphan）与神经干细胞（NSCs）移植产生药细胞协同作用。工程化策略包括：TrkC修饰的iPSC来源NSCs结合胶原支架；化学重编程将反应性星形胶质细胞转化为GABA能神经元；共移植iPSC来源的少突胶质前体细胞（OPCs）与内皮细胞。临床转化方面，hiPSC来源的神经干细胞/前体细胞移植、自体雪旺细胞（SCs）移植以及间充质干细胞（MSCs）移植已开展早期临床试验，显示出良好的安全性和初步疗效，但疗效仍需更大规模对照试验验证。

**5 细胞外囊泡：介导微环境重塑和神经修复的多功能通讯平台**
EVs作为细胞间通讯的关键介质，携带蛋白质、microRNAs和脂质等生物活性成分，可精确调节神经炎症、抑制多种细胞死亡形式并促进血管生成。机制上，NSC来源EVs的miRNA let-7b-5p靶向LRIG3抑制巨噬细胞焦亡；EGFR⁺ NSC来源的外泌体miR-34a-5p通过抑制组蛋白去乙酰化酶6（HDAC6）稳定微管并激活自噬；MSC来源外泌体通过PTEN/AKT/mTOR轴抑制凋亡。工程化修饰策略（如CAQK或TAT肽功能化）使EVs能主动跨越BSCB并靶向损伤部位，如包裹GPX4激活剂的工程化人脐带MSC来源EVs可抑制铁死亡。联合疗法方面，脱细胞细胞外基质（dECM）水凝胶负载iPSC来源神经元分泌的外泌体、GelMA水凝胶与脊髓类器官结合等策略均显示出协同效果。EVs的临床转化仍处于早期探索阶段，面临异质性、标准化制备和生产放大等挑战。

**6 生物材料：用于结构支持和时空可控治疗的工程化支架与递送系统**
**6.1 无机纳米材料**
金纳米粒（AuNPs）、铈纳米粒（CeONPs）、硒纳米粒（SeNPs）等具有良好生物相容性、抗氧化和抗炎活性，可通过清除活性氧（ROS）、调节小胶质细胞极化、抗凋亡等机制促进神经修复。它们常与水凝胶或纳米纤维支架整合形成多功能复合系统，例如AuNPs与钛酸钡组成的压电催化系统可持续释放氢气清除ROS；AhCeO₂-Gel水凝胶通过一氧化氮（NO）释放诱导NSC向神经元分化。磁性纳米粒（MNPs）可在外部磁场下实现定向递送和物理破坏胶质瘢痕。所有数据均处于临床前阶段。
**6.2 有机聚合物纳米材料**
聚合物胶束、脂质体、固体脂质纳米粒（SLNs）等可递送药物并主动调节微环境。例如，唾液酸修饰的PEG-PLGA胶束靶向E-选择素递送米诺环素；CAQK肽修饰纳米系统特异性富集于损伤瘢痕；脂质纳米粒（LNPs）递送mRNA实现基因治疗。树状聚合物和复合递送系统（如水凝胶-纳米粒复合体）可实现时空序贯释放。这些材料因低免疫原性和良好生物相容性具有临床转化潜力，但面临标准化制备和长期安全性等挑战。
**6.3 天然生物材料**
天然生物材料如胶原、明胶（GelMA）、透明质酸、脱细胞支架等，因与细胞外基质类似而具有高生物亲和性。胶原支架负载紫杉醇脂质体可激活Wnt/β-catenin通路；导电碳纳米管/明胶甲基丙烯酰基（CNT/GelMA）水凝胶纤维结合电刺激增强定向神经生长；3D生物打印的GelMA/HAMA水凝胶包裹NSC来源神经纤维样结构实现免疫调节、血管生成和轴突导向的三重作用。脱细胞脊髓基质（ASCM）复合支架可促进内源性NSC迁移分化。海藻酸钠水凝胶的刚度影响宿主反应。研究正向集成化和功能化方向发展。
**6.4 合成生物材料**
合成生物材料如聚己内酯（PCL）、自组装肽、导电水凝胶等，具有可规模化生产和理化性质可调的优势。自组装肽形成类ECM纳米纤维网络促进轴突再生；PCL纳米纤维与巨噬细胞膜复合支架可吸附清除髓鞘碎片。新型纳米材料如富电子Ru/缺氧铜氢氧化物可高效清除ROS；含黑磷纳米片的双交联导电水凝胶在磁场下产生电信号，激活PI3K/AKT通路维持线粒体稳态，可能调节铁死亡相关病理级联。合成生物材料正从结构支架向主动代谢稳态调节器转变。

**7 重建神经回路：用于功能恢复的神经调控与电刺激**
神经调控技术通过调节神经回路兴奋性促进功能恢复。侵入性硬膜外电刺激（EES）可直接激活腰骶中央模式发生器，帮助完全性SCI患者恢复站立和踏步；无创经皮脊髓电刺激（tcSCS）可安全增强脊髓兴奋性。脑刺激技术如经颅直流电刺激（tDCS）和经颅磁刺激（TMS）通过调节皮质兴奋性、神经炎症及脑源性神经营养因子释放来促进可塑性；深部脑刺激（DBS）靶向外侧下丘脑区（LHA）经脑桥网状结构（PnO）间接通路调节运动启动。脑-脊髓接口（BSI）通过全植入式“数字神经旁路”将运动意图实时转换为特定脊髓节段电刺激，实现意愿性运动控制。脑-计算机接口（BCI）结合功能性电刺激和外骨骼正在推动个性化闭环康复。神经调控必须与积极、任务特异性康复训练严格结合，才能将再生轴突巩固为稳定的功能网络。

**8 结论与展望**
过去数十年SCI修复研究取得重大进展，但单一疗法难以实现完全功能恢复。未来方向包括：深化多模式协同治疗（如干细胞/外泌体与功能化生物材料和神经调控整合）；开发智能响应和精准递送系统（如响应ROS或pH的按需释放）；推进临床转化标准与安全性评估（标准化生产、长期安全性）；探索个性化精准康复（3D打印与患者特异性iPSCs、神经影像引导参数调整）。SCI修复是一个跨生物学、材料学、医学和工程的系统性问题，需通过学科交叉和严格转化标准来克服中枢神经再生障碍。