《Bioactive Materials》：Tissue engineering for traumatic spinal cord injury: Research advances and clinical translation
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创伤性脊髓损伤（TSCI）通常导致持续的运动和感觉缺陷。跨学科进展支持了针对TSCI修复的组织工程方法的临床前研究，其核心目标是重建受损的神经组织，并恢复解剖完整性和生理神经功能。许多已发表的综述仅提供生物材料的描述性分类，而未建立与TSCI后逐步病理转变相一
创伤性脊髓损伤（TSCI）通常导致持续的运动和感觉缺陷。跨学科进展支持了针对TSCI修复的组织工程方法的临床前研究，其核心目标是重建受损的神经组织，并恢复解剖完整性和生理神经功能。许多已发表的综述仅提供生物材料的描述性分类，而未建立与TSCI后逐步病理转变相一致的系统性设计逻辑。本综述总结了TSCI的组织工程干预措施，并开发了一套针对不同病理损伤阶段定制的生物材料设计系统。它阐明了材料结构、理化性质与体内生物学性能之间的内在联系。该工作进一步考察了合适的动物模型选择以及限制临床前治疗效果从实验室到临床转化的实际障碍。最后，它指出了阻碍临床转化的关键瓶颈，并为神经再生生物材料的开发及TSCI修复的转化研究提供了理论思路。
**2. TSCI病理机制与匹配的组织工程系统**
**2.1. TSCI的病理生理学**：原发性损伤由机械创伤直接引起，表现为急性血管破裂、血-脊髓屏障（BSCB）破坏、神经元坏死和轴突剪切，初始损伤程度决定最终神经功能结局。继发性损伤按时间顺序分为急性期、亚急性期和慢性期。急性期以出血、BSCB破坏和中性粒细胞及巨噬细胞驱动的强烈神经炎症反应为特征。亚急性期小胶质细胞和星形胶质细胞被激活，小胶质细胞分泌炎症介质调节神经炎症，星形胶质细胞启动胶质瘢痕形成。慢性期病变核心发展为充满液体的囊性空洞，被致密的星形胶质细胞和成纤维细胞瘢痕包围，小胶质细胞和巨噬细胞浸润。
**2.2. 生物材料适应系统**：制定针对TSCI各阶段病理需求和修复瓶颈的病理适应性组织工程策略，构建分期精准修复的生物材料系统是重要发展方向。
**2.2.1. 原发性损伤**：原发性损伤在数秒内发生，不可逆地破坏组织结构。早期干预旨在防止继发性损伤级联反应并保留残余神经功能。应用生物材料需提供即时保护并阻止进展性损伤，包括：提供机械稳定性避免二次创伤、封闭受损BSCB减少渗出和水肿、快速阻断受损微血管实现止血、保持良好生物相容性保护脆弱组织、抑制活性氧和促炎因子的初始激活。具备快速固化能力和优异生物安全性的生物材料是最优选择，需满足快速凝胶化、无溶血和炎症反应、低刚度高柔韧性匹配脊髓组织力学性能、有效止血以及在保护功能完成后逐渐降解等性能要求。
**2.2.2. 继发性损伤**：继发性损伤主要包括急性期、亚急性期和慢性期三个阶段。
**2.2.2.1. 急性期**：用于急性TSCI的生物材料旨在减轻继发性损伤，保护神经组织免受严重氧化应激、过度炎症、组织水肿和广泛神经元凋亡。核心功能包括清除活性氧（ROS）、中断继发性损伤级联、恢复BSCB、适度止血及持续释放神经营养因子。可注射天然聚合物（如透明质酸、海藻酸盐、壳聚糖）、可降解功能水凝胶、抗氧化纳米复合水凝胶和抗炎止血敷料是首选。
**2.2.2.2. 亚急性期**：亚急性期TSCI的修复依赖于四个核心需求：平衡局部免疫微环境以适度缓解持续轻度炎症、调节胶质增殖以降低早期胶质瘢痕屏障、触发神经干细胞定向分化和有序轴突生长、促进血管生成和血管成熟以维持细胞粘附、增殖和迁移。可通过兼容的生物材料系统和靶向修饰工艺实现精确匹配，例如制备力学性能匹配天然脊髓组织的仿生微图案化支架，引导细胞排列和轴突再生，并优化局部微环境以支持血管生成和神经组织重塑。
**2.2.2.3. 慢性期**：用于慢性期的生物材料主要旨在消除再生屏障并通过解决致密胶质瘢痕、囊性缺损和抑制性病变微环境来恢复神经功能。核心治疗需求包括：移除再生相关的物理和化学屏障、修复囊性脊髓缺损并重建完整组织结构、通过持续神经营养支持促进长距离轴突再生和髓鞘再生、维持长期病变微环境稳态。力学稳健的仿生复合支架是理想载体，具有定向内部通道的支架引导轴突延伸穿过胶质瘢痕组织，生物活性因子与干细胞联合发挥协同神经保护和再生作用，炎症和pH响应性递送系统动态匹配长期组织重塑级联反应。
**3. TSCI动物模型**：为了准确再现人类TSCI病理生理学并评估治疗疗效和转化潜力，研究人员建立了多种动物模型。本节系统回顾了TSCI研究中主流的动物模型和实验方法，全面比较了挫伤、压迫、横断和牵拉模型在病理特征、适用场景、局限性及相应组织工程干预策略方面的特点。核心焦点是评估不同TSCI建模方法与临床TSCI病理特征的一致性，并探讨导致动物实验结果差异的多重因素，包括模型选择、损伤严重程度和干预时机。
**3.1. 挫伤模型**：挫伤模型模拟最常见的临床病因（如交通事故和跌倒），临床相关性较高。其病变特征为异质性微环境和残留神经组织，特别适合评估微创生物材料平台，如可注射水凝胶、纳米颗粒系统、微结构支架和导电复合材料。但存在高估依赖宿主组织整合的生物材料系统疗效的风险，同时也可能低估逆转严重临床场景中广泛轴突断裂的巨大挑战。
**3.2. 压迫模型**：压迫模型擅长模拟因脊柱骨折、脱位、肿瘤占位效应或颈椎病导致的临床压迫性TSCI。病理特征为持续性缺血、炎症和保留组织连续性，适用于柔性贴合材料，如可注射粘合水凝胶、微创缓释系统、力学顺应性柔性支架和可注射细胞外基质（ECM）材料。但实验室条件下严格控制压迫强度和时间，可能高估抗压和抗纤维化材料的治疗效果。
**3.3. 横断模型**：横断模型涉及神经通路的完全中断和组织间隙形成，广泛用于评估先进生物材料（如高度定向导管和脊髓类器官（SCOs））的桥接和支架功效。与保留神经束的压迫、挫伤和牵拉模型不同，横断模型缺乏残留神经组织，与临床病理存在显著偏差。由于组织连续性完全丧失，这类模型可能固有地高估特定支架和类器官干预的再生潜力。
**3.4. 牵拉模型**：牵拉模型对涉及轴向拉伸应力的临床牵张性损伤具有较高转化保真度。病理特征为弥漫性轴突拉伸、脱髓鞘和微血管破坏，无显著空洞形成。需要力学上具有弹性且生物相容的工程系统，如顺应性水凝胶、神经保护性纳米药物、柔性低模量支架和髓鞘支持性细胞负载构建体。但牵拉损伤不产生组织空洞，可能低估依赖填充离散间隙的刚性桥接支架的疗效，同时高估纯神经保护或抗炎策略在复杂组织损伤病例中的效果。
**3.5. 物种选择**：在TSCI研究的动物模型中，啮齿类动物占主导地位（88.4%）。大鼠脊髓组织刚度约为小鼠的两倍，而人类脊髓组织弹性模量（1.4 MPa）与大鼠（1.3 kPa）存在巨大差距，导致机械不匹配，限制了小鼠实验结果向人类临床实践的转化。大型动物模型（如猪、狗、非人灵长类）在解剖和生理上与人类更相似，具有更高的转化相关性。此外，非哺乳动物物种（如蝾螈、壁虎）作为有价值的机制研究平台。
**3.6. 结果评估时间点的选择**：大多数啮齿类动物实验将8周设为终点检测时间点，此时病变诱导的组织重塑和后肢运动功能均达到稳定平台。大型动物模型需要12周或更长的观察期。研究人员还需进行定期短期行为追踪和覆盖急性期、亚急性期和慢性期的分期组织学取样。不同物种间SCI后的免疫和胶质反应存在显著差异，评估时间点设计需充分考虑种间变异。
**4. TSCI治疗策略**：临床上，TSCI管理策略依赖及时手术减压、脊柱稳定、强化糖皮质激素脉冲治疗和系统性康复训练。糖皮质激素虽有轻微神经保护作用，但带来全身感染和胃肠道出血风险。过去十年，实验性治疗方法包括细胞治疗、药物/因子治疗、基因治疗和物理治疗干预。与组织工程相比，细胞治疗面临存活率低和滞留不足问题；药物/因子治疗稳定性差、半衰期短；基因治疗递送效率低且长期安全性不明；物理治疗干预无法重建结构缺陷或逆转抑制性瘢痕微环境。相比之下，组织工程通过整合仿生支架、功能性水凝胶、靶向递送系统和细胞构建体，针对TSCI的组织缺损、空洞形成、胶质瘢痕屏障、血管破坏和慢性抑制性微环境等核心病理特征，提供可定制的多层面干预，实现结构性桥接、局部递送平台和仿生微环境构建。
**5. TSCI修复用生物材料的分类与性质**：生物材料的结构和力学特性直接决定细胞行为、免疫反应、胶质瘢痕形成、轴突延伸和功能恢复。急性TSCI需要顺应性、柔软的抗炎水凝胶，慢性TSCI则需要结构各向异性、力学支撑性支架。本节系统论述了天然聚合物、合成/半合成基质和多功能生物材料如何通过可编程刚度、定向形貌、可控降解动力学和定制化生物活性修饰来满足这些时间依赖性病理需求。
**5.1. 天然生物材料**：天然生物材料具有优异生物降解性、良好生物相容性和低免疫原性。包括：细胞外基质（ECM）具有组织匹配的粘弹性和适中刚度，抑制小胶质细胞过度激活，促进抗炎M2样表型，适用于急性和慢性TSCI；胶原（Collagen）可精确酶解，低模量配方适用于急性期，定向纤维结构引导轴突定向生长，但力学稳定性不足；透明质酸（HA）刚度极低，含水量高，粘弹性突出，匹配天然脊髓超软力学环境，抑制小胶质细胞促炎极化和星形胶质细胞过度增生，适用于急性期；纤维蛋白（Fibrin）快速凝胶化，可降解，力学顺应，适用于细胞和外泌体局部递送；角蛋白（Keratin）具有中等刚度和免疫调节活性，主要用于急性期免疫调节，缺乏定向引导能力；海藻酸盐（Alginate）可调节交联网络，适用于药物缓释和细胞封装，抑制纤维化瘢痕形成；壳聚糖（Chitosan）具有生物降解性和导电性，可通过修饰满足急性和慢性TSCI需求，但生理pH下溶解度有限；丝素蛋白（SF）具有优异拉伸强度和韧性，适用于慢性TSCI长期支撑，但缺乏细胞粘附域。
**5.2. 合成与半合成生物材料**：合成和半合成生物材料具有优异的结构可重复性、定制化功能选项和稳健的力学稳定性，包括：聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）降解可调，适用于急性和慢性TSCI，但酸性副产物和疏水性限制性能；聚乳酸（PLA）高强度，适用于慢性TSCI大组织缺损，但高刚度和疏水性导致力学不匹配；聚乙醇酸（PGA）快速降解，高孔隙率，适用于急性TSCI短期填充，但力学完整性不足；聚己内酯（PCL）低弹性模量，高抗疲劳性，适用于慢性TSCI定向轴突引导，但疏水性和缓慢降解限制组织重塑；聚乙二醇（PEG）高亲水性，柔软，低免疫原性，适用于急性TSCI，但缺乏生物活性位点和引导线索。
**5.3. 功能性材料**：功能性材料通过整合特定物理化学功能，靶向TSCI的复杂多阶段病理障碍，包括：导电材料通过压电掺杂或复合修饰重建生物电微环境，促进神经干细胞分化和轴突再生；定向微结构材料通过有序通道和纤维形貌引导轴突定向延伸，适用于慢性TSCI桥接，但存在力学不匹配和细胞浸润不足问题；粘合材料通过原位光交联或仿生化学修饰实现与受损神经组织的紧密整合，抑制微胶质超活化，促进神经修复；可注射材料通过剪切稀化和快速自修复特性精确填充不规则腔隙，实现微创递送，但力学刚度低，限制长期支撑；智能响应材料通过物理或化学响应性基团实现时空可控药物释放和动态微环境调节，包括磁性响应、ROS响应、pH响应等，有潜力服务于整个TSCI病理过程。
**5.4. 干预时机选择**：组织工程治疗通常在损伤后立即（急性期）或延迟1-2周（亚急性期）进行。亚急性期（伤后1-2周）被认为是目前最优的时间窗口，此时病变病理达到相对稳定，神经炎症显著下降，微环境有利于再生。
**5.5. 生物材料力学线索对TSCI修复的调控**：生物材料的力学特性是调控神经修复和微环境重塑的核心物理因素。刚度是最关键的力学参数，软基质（0.1-100 kPa）促进神经元突起生长和分支，而硬基质导致力学不匹配，加剧星形胶质细胞和小胶质细胞激活，促进胶质瘢痕形成。粘弹性和弹性恢复是重要的动态力学特性，可适应脊髓生理动态变形并维持稳定修复微环境。表面形貌和流变特性与力学性能交互作用，优化神经修复微环境。TSCI修复具有时间依赖性：急性期组织显著软化，超软水凝胶适应早期组织；慢性期致密胶质瘢痕形成，具有自适应刚度、良好粘弹性和梯度力学结构的支架可改善瘢痕微环境。当前研究从单一静态刚度优化转向动态、时间性、多参数协同仿生，但仍面临力学参数耦合调控困难、种间适应系统不完善、慢性损伤靶向力学干预不足等挑战。
**6. TSCI修复的工程平台**：组织工程旨在通过合理使用材料和技术恢复脊髓组织结构和功能。主要技术途径包括：纳米颗粒（Nanoparticles）作为精准纳米载体，通过靶向递送、响应性调控和与物理刺激协同作用，调节急性期微环境；水凝胶（Hydrogels）具有可调力学性能，可注射性，适用于填充不规则囊腔和调节急性和亚急性期微环境，作为药物、细胞和生物活性物质的载体；生物支架（Biological scaffolds）提供机械支撑和定向拓扑线索，适用于慢性TSCI的长距离轴突桥接，可通过电纺、3D打印等技术制备，孔隙结构、力学刚度和表面形貌主导再生结果；脊髓类器官（SCOs）提供预成型的仿生组织单元，用于慢性期结构性和功能性替换，由诱导多能干细胞（iPSCs）或胚胎干细胞（ESCs）构建，模拟体内发育微环境，在体外作为药物筛选模型，在体内替代受损组织并重建神经回路，但面临批次变异、成熟度不足、血管化缺失等挑战。
**7. 临床转化**：组织工程进展促进了生物材料支架的临床转化，初步临床试验证实了其安全性和有希望的治疗效果。临床案例包括：2001年巴西嗅觉黏膜自体移植（7例慢性完全性TSCI），18个月随访显示安全性和部分功能改善；2014年北美Neuro-Spinal Scaffold（NSS）植入（19例急性完全性TSCI），6个月随访确认安全性和可行性；2020年中国胶原支架联合人脐带间充质干细胞（40例急性完全性颈髓损伤），1年随访显示AIS分级改善和日常生活活动能力提升；2021年中国NeuroRegen支架联合间充质干细胞/骨髓单个核细胞（66例急性和慢性完全性SCI），2-5年随访无严重不良事件，感觉和自主神经功能恢复优于运动功能恢复。
**关键临床决定因素**：诊断不确定性影响患者筛选和个体化治疗；制造规模化与理化标准化面临灭菌、储存和批次一致性挑战；损伤后有害微环境阻碍内源性修复和移植物存活；临床前到临床疗效预测差距显著，主要源于啮齿类模型与人类病理差异、种间再生能力差异及临床试验设计局限性；监管和手术障碍包括复合产品监管分类模糊、缺乏敏感临床终点、手术技术难度大。
**临床转化路线图**：提出五模块实用路线图：1）临床前材料设计；2）GMP标准化制造与质量控制；3）临床准备与个体化患者分层；4）术中实施与多模式联合治疗；5）长期临床观察与监管批准。
**8. 讨论**：TSCI仍是一个严峻的临床挑战。组织工程从简单结构修复发展到功能性组织构建，具有多维治疗潜力。多模式联合治疗通过协同作用优于单一干预，但需确保真正的协同机制而非简单组分叠加。当前证据基础过度依赖行为改善作为再生修复的替代指标，需建立标准化、生物材料适应性评价终点，整合结构成像、电生理评估和患者报告的自主动能指标。建立严格的研发路线图对加速临床转化至关重要，包括采用标准化大型动物模型验证、动态调整治疗策略应对病理阶段、个体化临床干预、持续优化制造和手术技术、统一产业标准和多维评价标准。
