一、丝胶蛋白在中枢神经修复中的应用

中枢神经创伤主要包括脊髓损伤、创伤性脑损伤、脑卒中和脑肿瘤等。其中，脑卒中是最常见的中枢神经损伤，多发于高龄人群。统计显示，在2015年，全球共约630万人死于脑卒中，占总死亡人数的11%，脑卒中已经成为世界范围内人类死亡的第五大病因。近年来，关于脑卒中治疗的研究取得了一定进展，但目前脑卒中的临床治疗效果仍不尽如人意。面对脑卒中高发病率和高死亡率的严峻形势，亟待研发更加有效的治疗方法和修复策略。

（一）中枢神经的细胞分类和功能

人类大脑皮层包含上百亿个神经元，彼此之间通过神经突触进行信息传递。除神经元外，中枢神经系统还含有大量的神经胶质细胞，包括星形胶质细胞、少突胶质细胞和小胶质细胞。不同类型的中枢神经细胞具有不同的功能。

1.神经元

由胞体、树突和轴突组成。神经元胞体含有细胞核、高尔基体、核糖体和其他细胞器，承担大部分常规的代谢功能。胞体内还可见大量由粗面内质网和核糖体构成的尼氏体。

2.星形胶质细胞

中枢神经系统中体积最大、数量最多的胶质细胞。该细胞填充于神经元之间的空隙内，其形成的神经胶质膜是血-脑屏障的重要组分。星形胶质细胞可调节细胞外的钾离子浓度，使其维持在合适的水平；还可以通过摄入神经递质以及减少神经递质的弥散，调节递质分子在突触间隙的存留时间；它还具有调节神经元葡萄糖供应的功能。

3.少突胶质细胞

中枢神经系统的少突胶质细胞更类似于外周神经系统的施万细胞，它们可形成绝缘的髓鞘，避免无效的电信号传递。

4.小胶质细胞

来源于巨噬细胞，是最小的神经胶质细胞。主要参与中枢神经系统的炎症反应，包括感染、损伤以及脑肿瘤等，是中枢神经免疫系统的重要组分。

（二）脑卒中的分类、发病机制及治疗

脑卒中，是一种急性脑血管疾病。根据发病机制的不同，脑卒中分为缺血性脑卒中和出血性脑卒中。缺血性脑卒中多是由于各种血栓随着血流进入颅内动脉使得血管腔急性闭塞或严重狭窄，引起相应供血区脑组织坏死及功能障碍的一组临床综合征，主要发病诱因有糖尿病、高血压和动脉粥样硬化等。出血性脑卒中则是由于脑血管破裂或者血管畸形造成的脑实质内出血，继发引起局部脑组织坏死及功能障碍。在所有的脑卒中患者中，缺血性脑卒中最为常见，约占总数量的75%～80%。

脑卒中导致神经元损伤是一个复杂的病理生理过程。缺血性脑卒中发生时，局部脑组织缺血缺氧会引起脑组织能量代谢障碍，同时还存在血流对脑组织的再灌注损伤，这些会使神经细胞产生损伤级联反应。主要包括能量代谢障碍，兴奋性氨基酸毒性以及自由基的大量产生，使神经细胞发生去极化、钙离子内流和线粒体失能，从而引发细胞凋亡。在梗死后期，由于神经细胞再生能力极弱，病变组织萎缩，坏死组织由小胶质细胞清除后会留下有空腔的瘢痕组织。脑卒中发生后，神经细胞死亡以及神经组织缺损会引起瘫痪、运动失调、感觉异常、意识障碍等。因此，促进神经元的再生以及功能性神经环路的形成，是有效治疗脑卒中的关键。

目前临床上针对脑卒中的有效治疗方法非常有限。基于组织型纤溶酶原激活剂（tPA）的溶栓治疗和介入性治疗（经导管血栓切除术）在缺血性脑卒中的发病早期可疏通脑血管、恢复脑组织血流灌注，有良好的治疗效果。但是，这类方法的治疗时间窗较短，如溶栓治疗时间窗<4.5小时，经导管血栓切除术的治疗时间窗<6小时，因此大部分脑卒中患者无法获得及时救治。脑保护剂和自由基清除剂主要用来保护濒临死亡的神经细胞（主要位于半影区），而对梗死区损伤的神经细胞无法发挥作用。其他的治疗方法多为支持治疗和对症治疗，如呼吸支持、降低脑水肿、控制血压以及控制感染等。

由于大脑功能复杂，神经元再生能力非常有限，现有的治疗方法不能对损伤的脑组织进行有效修复，因此亟待研发新的有效治疗方案。伴随着再生医学的发展，组织工程修复策略为解决这一难题提供了新的思路。

（三）组织工程在脑卒中修复中的应用

组织工程是一门涉及生物学、医学、化学、材料学、工程学等多种学科的新兴交叉学科，主要立足于构建合适的细胞生存微环境以促进组织再生修复。种子细胞、生长因子及生物材料是组织工程修复的三大要素。利用组织工程技术应用于脑卒中修复的关键在于构建具有生理功能的神经组织来替代或修复损伤的脑组织。

由于中枢神经组织结构和功能的特殊性，应用于脑卒中修复的理想组织工程生物材料需满足以下要求：①良好的神经细胞相容性，这有利于种子细胞在支架材料中的生长、存活、增殖和分化；②低免疫原性，移植后不会发生明显的免疫排斥反应，减少潜在的安全风险；③多孔的微观结构，微米孔径结构有利于搭载种子细胞；互通的网状结构有利于能量物质及代谢产物的交换和扩散；④与脑组织相匹配的机械性能；⑤合适的降解速率；⑥携带及缓释细胞因子或药物的能力。

随着组织工程技术的发展，多种生物材料（包括人工合成的多聚物和天然材料）已经被应用于脑卒中修复的探索研究中，如透明质酸/甲基纤维素水凝胶，海藻酸盐水凝胶，胶原以及聚乳酸/聚乳酸-羟基乙酸等。目前的研究策略主要是将生物材料与细胞因子联用，或将生物材料与干细胞联合使用，通过立体定位注射或微创手术的方式移植到梗死的脑组织中。这些材料在小鼠动物模型中取得了较好的组织修复效果，部分还取得了一定的功能恢复。然而这些生物材料普遍存在一定缺陷，如透明质酸/甲基纤维素和海藻酸盐水凝胶无法有效黏附细胞，聚乳酸/聚乳酸-羟基乙酸材料的降解产物会降低局部组织微环境的pH，胶原类材料具有一定的免疫原性。这些都提示了进一步探索研发新型生物材料应用于中枢神经修复的必要性。

（四）丝胶蛋白在脑卒中修复中的应用

丝胶蛋白因具有多种生物活性，包括细胞黏附性、良好的细胞相容性、低免疫原性、可降解性等，近年来受到越来越多研究者的关注。王琳教授课题组成功研发了可搭载神经细胞的的丝胶水凝胶用于脑卒中修复（图10-2），该水凝胶具有以下优点：①多孔的微观结构；②合适的机械性能；③稳定的吸水膨胀率；④良好的神经细胞相容性。在体外脑卒中模型（OGD，氧糖剥夺模型）中，该水凝胶显示了良好的神经保护作用，可保护原代神经细胞抵抗缺氧缺糖损伤。通过相关的分子生物学实验发现此神经保护作用与抑制细胞凋亡通路密切相关。通过体外细胞实验还发现该水凝胶可支持神经细胞长期存活。通过动物实验进一步证实，丝胶水凝胶可用作神经细胞的良好载体用于体内移植，促进移植细胞的长期存活和生长。

由于缺血性脑卒中造成局部严重的炎症反应以及缺氧缺糖等恶劣微环境，移植细胞很难存活，往往造成组织工程修复效果不佳。王琳教授课题组研究发现丝胶水凝胶具有良好的神经保护作用，可使神经细胞抵抗严苛的缺氧缺糖微环境，抑制细胞凋亡；不仅如此，丝胶水凝胶生物支架还可直接作为神经细胞的良好载体显著提高移植细胞的存活率；这两方面的作用对于提高组织工程修复效果至关重要。王琳教授课题组证明了丝胶水凝胶在脑卒中的组织工程修复方面具有较好的应用潜力，为丝胶生物材料应用于中枢神经创伤修复奠定了研究基础。