生长因子在脊髓损伤中应用的研究进展

生长因子在脊髓损伤中应用的研究进展
朱旭;刘宝虎;王晶;江继鹏;陈江龙;张赛
【摘要】近年来,脊髓损伤发病率逐年增加,越来越受到重视.生长因子可促进神经
纤维及突触的再生,在治疗脊髓损伤和恢复神经功能方面具有重要作用.生长因子本
身半衰期短,因此需要利用生长因子基因载体转染干细胞、纳米微粒包裹生长因子
或生长因子结合生物相容性支架等方法治疗脊髓损伤.随着对生长因子研究的深入,
应用单一的生长因子难以满足治疗脊髓损伤的需要,因此,探索多种生长因子的协同
作用以期达到更好的治疗效果是今后的主要研究方向.本文对脑源性神经营养因子、神经营养因子3、神经生长因子、碱性成纤维细胞生长因子的应用及生长因子协同治疗进展等方面进行综述,以期提高生长因子对脊髓损伤后的治疗效果.%The incidence of spinal cord injury is increasing year by year, and more and more attentions have been paid. Growth factors can promote the regeneration of nerve fibers and synapses, and they also play an important role in the treatment of spinal cord injury and the recovery of neurological function. The growth factor itself has a short half-life, so it is necessary to use growth factor gene vectors to transfect stem cells and nanoparticles to deliver growth factors or biocompatible scaffolds to support growth factors to treat spinal cord injuries. With the development of the research on growth factors, the application of single growth factor is difficult to meet the need of treatment to spinal cord injury. To explore the synergistic effect of various growth factors in order to achieve a better therapeutic effect is a promising research direction in the future. The purpose of this review is to summarize the therapeutic effects of growth factors on spinal
cord injury including brain-derived neurotrophic factor, neurotrophic factor 3, nerve growth factor, basic fibroblast growth factor and synergy therapy of growth factors.
【期刊名称】《天津医药》
【年(卷),期】2017(045)010
【总页数】4页(P1117-1120)
【关键词】脊髓损伤;胞间信号肽类和蛋白质类;脑源性神经营养因子;神经营养因子3;神经生长因子;碱性成纤维细胞生长因子
【作者】朱旭;刘宝虎;王晶;江继鹏;陈江龙;张赛
【作者单位】天津医科大学 300070;天津武警后勤学院附属医院脑科医院,武警部队脑创伤与神经疾病研究所,天津市神经创伤修复重点实验室;天津武警后勤学院附属医院脑科医院,武警部队脑创伤与神经疾病研究所,天津市神经创伤修复重点实验室;天津中医药大学;天津医科大学 300070;天津武警后勤学院附属医院脑科医院,武警部队脑创伤与神经疾病研究所,天津市神经创伤修复重点实验室;天津武警后勤学院附属医院脑科医院,武警部队脑创伤与神经疾病研究所,天津市神经创伤修复重点实验室;天津武警后勤学院附属医院脑科医院,武警部队脑创伤与神经疾病研究所,天津市神经创伤修复重点实验室;天津武警后勤学院附属医院脑科医院,武警部队脑创伤与神经疾病研究所,天津市神经创伤修复重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】R651.21
脊髓损伤治疗的关键是使损伤区的轴突再生，使轴突可以完整地通过损伤区与目标神经元建立有效的连接，以恢复脊髓损伤后的神经传导功能［1］。

成人中枢神经系统损伤后，神经纤维很难再生为突触后神经元或形成功能性的突触连接，增加了脊髓修复的难度［2］。

生长因子在神经组织的损伤后修复中具有重要作用，可以使轴突延伸到目标神经元以达到修复神经损伤和恢复神经功能的目的［3］。

生长因子联合如基因诱导、干细胞移植、脊髓支架等技术治疗脊髓损伤，有助于改善损伤灶微环境，促进脊髓损伤后的神经功能恢复，最大限度地发挥生长因子的修复作用［4-5］。

选择合适的干细胞、脊髓支架材料和生长因子可以使脊髓损伤修复达到最大化［1］。

其中，生长因子是决定治疗效果的关键因素之一。

无论干细胞还是脊髓支架，其实质都是为外源性或内源性生长因子提供适宜的环境和空间，抵抗损伤局部抑制因子和炎性因子的破坏作用。

目前，在体内如何从时间和空间上提供源源不断的具有生物活性的生长因子仍是脊髓修复过程中亟待解决的难题［6］。

本文主要就脑源性神经营养因子（brainderived neurotrophic factor，BDNF）、神经营养因子 -3（neurotrophic factor 3，NT-3）、神经生长因子（nerve growth factor，NGF）和碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）等4种常用于治疗脊髓损伤的生长因子的研究进展作一综述。

研究显示，BDNF及其受体在神经系统广泛表达，通过高亲和力受体酪氨酸蛋白激酶B（TrkB）发挥作用；BDNF对损伤后的多种神经元具有神经保护作用，这种作用可以延伸到皮质运动系统，增加脊髓运动神经元的存活率［4］。

因此，脊髓皮质运动区损伤后，移植分泌BDNF的神经干细胞治疗脊髓损伤一直是研究的重点。

王莹等［7］在脂肪源性干细胞联合二氢睾酮治疗脊髓损伤的研究中发现，二氢睾酮可以有效激活BDNF及受体TrkB的表达，减少抑制神经轴突再生的有害因素，改善大鼠脊髓损伤微环境并促进神经功能的恢复。

Xiong等［8］构建BDNF高表达的重组质粒转染骨髓间充质干细胞（mesenchymal stromal cell MSC）并移植
到受损的脊髓中，4周后通过生物素结合的葡聚糖胺（biotionylated dextran amine，BDA）荧光示踪技术观察皮质脊髓束的再生情况，利用巢式逆转录聚合
酶链式反应（reverse transcription polymerase chain reaction，rt-PCR）检测损伤灶的 BDNF、NGF、NT-3、NT-4、成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor-2，FGF-2）和 B 淋巴细胞瘤-2基因（B-cell lymphoma-2，
BCL-2）的表达；结果显示，表达BDNF的MSC可以明显促进轴突再生，同时NGF的表达亦明显增高，提示BDNF与NGF在治疗脊髓损伤方面具有协同作用，但由于体内BDNF发挥作用的时间非常短，限制了其治疗脊髓损伤的效果。

因此，对于BDNF缓释技术的研究日益增多。

关于如何携带、保存并缓释BDNF的方法，目前研究最多的是纳米级微球包裹BDNF。

纳米级微球的细胞毒性更小，生物相容性更好，而且包裹BDNF后的纳米级微球的稳定性、持续性、指向性及可控性均
优于大直径的普通微球。

Lopes等［9］将携带BDNF靶向基因的巯基化壳聚糖高分子纳米粒子微创注射到外周神经，利用微球控制BDNF定向持续释放，发现其
有效地促进了有髓鞘轴突的形成。

利用基因技术提高干细胞BDNF的表达水平，诱导干细胞定向分化为神经细胞，
不仅可克服BDNF作用时间短、降解速度快、来源匮乏的难题，而且还可以营造
适宜干细胞存活的微环境，进而修复脊髓损伤。

Uchida等［10］用可生物降解的聚阳离子携带BDNF（非病毒基因载体）转染MSC，并将干细胞群体外培养整合
为三维球体后植入小鼠体内，发现三维球体状的细胞团可以分泌更多抗炎因子等有利蛋白，并可与干细胞基因表达分泌的BDNF协同治疗脊髓损伤，显著增强脊髓
损伤急性期运动功能的恢复与轴突的再生，减轻神经元损伤和丢失。

另外，BDNF 基因联合干细胞技术不仅在鼠脊髓损伤中具有良好的效果，在大型动物在体实验中也取得了突破性进展。

Lee等［11］利用BDNF基因转染诱导MSC分泌BDNF，然后静脉注射MSC治疗比格犬的慢性脊髓损伤，该试验分为3组：分别为脊髓损
伤3周后绿色荧光蛋白标记的MSC直接植入损伤部位（MSC-GFP）组、脊髓损
伤3周后分泌BDNF的MSC直接植入损伤部位（MSC-BDNF）组和分泌BDNF
的MSC直接植入损伤部位前2周经静脉滴注（IV）治疗（MSC-BNDF/IV）组；植入8周后，MSC-BDNF/IV组相对于其他2组比格犬的运动功能有了更好的恢复，损伤区纤维化程度明显改善，同时还观察到该组比格犬体内的肿瘤坏死因子-
α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）、环氧合酶-2（Cyclooxygenase-2，COX-2）、酸性胶质纤维和半乳糖神经酰胺（Galactocerebrosides，GalC）的表达水平明显降低，而BDNF、β3-微管蛋白
神经介质和nestin蛋白表达水平明显升高，提示干细胞联合BNDF静脉注射治疗慢性脊髓损伤也是行之有效的治疗手段。

NT-3主要作用于皮质脊髓束，在发育的脊髓运动神经元中高度表达，是目前唯一与TrkC受体具有高亲和力的神经营养因子。

NT-3有特有的促进皮质脊髓束轴突
再生的功效，对修复脊髓损伤后的运动功能具有最直接的作用，对损伤后的神经元和轴突具有很好的保护作用［4］。

Weishaupt等［12］在颈4～5节段局部注射可以长时间表达NT-3的重组腺相关病毒载体，观察NT-3对胸8节段脊髓损伤后的皮质脊髓束侧支再生的影响，结果发现NT-3可以有效地促进脊髓损伤后的皮质脊髓束轴突的再生并刺激脊髓束侧支分泌内源性NT-3，增加有髓鞘的神经纤维，缩小损伤区域，显著促进轴突的形成和运动功能的恢复。

目前，NT-3的研究主要集中在携带NT-3基因和TrkC受体基因的质粒或病毒等
载体同时共同转染干细胞后，观察TrkC受体和NT-3在修复脊髓损伤过程中的协同作用。

Edalat等［13］选用 pDsRed1-N1-NT-3 和 pCMX-TrkC 质粒转染MSC，发现NT-3和TrkC受体在MSC内长时间高水平表达，提高了干细胞的存
活率并激发了干细胞向神经细胞分化的潜能，极大地减少了细胞凋亡，提示TrkC
受体可提高NT-3的利用率并促进其修复脊髓损伤，也表明NT-3是生长因子治疗
脊髓损伤的最佳候选者之一。

目前，越来越多的研究聚焦在NT-3联合组织工程学支架的方法治疗脊髓损伤。

在脊髓仿生支架中利用载体蛋白、微球包裹、共价键结合等方式搭载NT-3并植入动物体内，实现了通过控制支架的生物降解速率对NT-3的时间和空间双重控释目的，这为今后的临床应用研究奠定了基础［14］。

Li等［15］将经过β折叠处理的丝
素蛋白与NT-3共价结合后黏附在明胶海绵支架上，形成可以缓慢大量释放NT-3的控释系统，将该支架分别植入大鼠和犬的脊髓损伤模型体内，结果发现长时间高剂量持续作用在损伤部位的NT-3可以明显降低急性期病灶的炎症反应、减少胶质瘢痕的形成、促进神经元及突触再生，表明携带NT-3的丝素明胶海绵支架可修复脊髓损伤，并为临床的实际应用提供了参考。

NGF主要在中枢神经系统表达，主要与TrkA受体结合，从而激活下游信号转导
通路如MAPK（mitogen-activated protein kinase）/ERK（extracellular signal-regulated kinase）、PI3K （phosphatidylinositol3-kinase）/Akt （serine/threonine Kinase）和 PLC-γ（phospholipase C gamma）途径发挥
作用。

研究显示，成熟的NGF具有神经保护作用，并可以提高神经元如感觉神经元、α运动神经元和施万细胞对损伤的应答反应［4］。

目前，通过上调TrkA受体或激活其下游相关信号分子，提高NGF的利用效率是
一个研究热点。

Wu等［16］研究发现，脊髓损伤后1 d，在星形胶质细胞、小胶质细胞及MAP2阳性细胞中，EHD1（Eps15 Homology Domain-containing 1）的表达明显增加，而且EHD1增加可使TrkA受体再循环回到细胞膜内，提高NGF的利用率，进而更加有效地修复脊髓损伤。

近年来，基因治疗为脊髓损伤的研究提供了一个崭新的方向，而且在基因载体方面已经取得了实质性进展。

病毒载体具有很高的转染效率，但由于其细胞毒性高、高免疫原性而受到限制［17］。

利用纳米技术开发设计新型非病毒NGF载体是目前
最热的研究方向。

Song等［18］设计聚乳酸-羟基乙酸共聚物（poly lactic-co-glycolic acid，PLGA）纳米气泡作为pCMV6-NGF-GFP质粒的载体，尾静脉注
射后，利用先进的超声破坏微泡技术破坏纳米气泡并释放NGF治疗脊髓损伤，结果证实NGF可有效减少脊髓损伤后神经元的丢失、抑制脊髓损伤后神经元凋亡、增强神经功能的恢复能力。

bFGF是成纤维细胞生长因子家族成员中的典型代表，是细胞生长和分化的重要调节器，在胚胎发育、组织再生、创伤修复和造血等方面起着重要的作用。

bFGF在脊髓修复中的作用主要是增强神经突触的再生，刺激血管扩张及再生和抑制细胞凋亡［19］。

有研究表明，大鼠脊髓挫伤后，脊髓中bFGF阳性细胞数明显多于正
常脊髓，提示脊髓损伤可通过刺激内源性细胞分泌bFGF来保护受损的神经纤维［20］。

目前，bFGF联合水凝胶治疗脊髓损伤是研究的一个热门。

Xu等［21］选用健康
大鼠的脊髓制作脱细胞脊髓支架（acellular spinal cord scaffold，ASC），将bFGF 静电附着在ASC支架上，与温度敏感型水凝胶（temperature-sensitive hydrogel）混合后植入大鼠脊髓损伤模型；结果表明，ASC与水凝胶混合支架可
通过控制bFGF在脊髓损伤灶的释放和扩散，持续发挥神经保护的功能。

Shi等［22］设计了一种新型复合物甲基丙烯酸羟乙酯［2-（甲基丙烯酰氧基）乙基］
氯化铵水凝胶，联合bFGF治疗脊髓损伤；研究显示，将该水凝胶植入大鼠全横断脊髓损伤模型内8周后，运动功能评分、电生理及组织学分析均证实bFGF可以
促进神经组织的再生和运动功能的恢复。

单一生长因子对脊髓损伤的修复作用是有限的，鉴于脊髓损伤后病理过程的复杂性，联合多种生长因子治疗脊髓损伤是目前最具吸引力的研究方向。

Tang等［23］研究发现，PDGF、NT-3和IGF-2共同参与了诱导肌源性干细胞向类施万细胞的分化，证实PDGF、NT-3和IGF-2具有协同作用，可共同诱导其他类型的干细胞向
类神经细胞转化，从而应用于神经损伤方面的研究，然而产生该结果的原因和机制仍有待探索。

Grulova等［24］设计了一种持续释放bFGF和EGF的新型的海藻
酸盐支架来治疗脊髓损伤，发现bFGF和EGF共同搭载在支架上相比于单一的生
长因子支架可以更加有效地保护损伤后的神经元、改善神经元突触功能、增强神经纤维的传导、促进神经纤维和血管的再生，同时还可以减轻细胞外基质的破坏，从而改善损伤后的局部微环境，减少瘢痕胶质的形成；另外，该研究认为如果在此基础上加入NT-3、NGF等神经营养因子协同治疗，可能会取得更好的效果。

本文综述了经典的4种生长因子BDNF、NT-3、NGF、bFGF的作用及其近年来
在脊髓损伤治疗方面的研究进展。

上述4种生长因子主要是通过减轻损伤区域的
炎症发生、减少细胞凋亡、防止神经元脱髓鞘和轴索坏死、促进神经纤维及血管再生，从而治疗脊髓损伤的。

生长因子具有良好的应用前景，尤其在联合生物相容性支架、干细胞植入及基因技术等方法共同治疗脊髓损伤方面已取得了突破性的进展。

但是，生长因子在治疗过程中如何从时间和空间上精确控制释放并发挥最大的疗效仍需不断探索，生长因子之间的相互作用也是今后探索的目标与方向。

相信随着人们对生长因子研究的不断深入，其治疗脊髓损伤将最终得到临床应用。

【相关文献】
［1］Ji WC，Zhang XW，Qiu YS.Selected suitable seed cell,scaffold and growth factor could maximize the repair effect using tissue engineering method in spinal cord injury ［J］.World J Exp Med，2016，6（3）：58-62.doi：10.5493/wjem.v6.i3.58.
［2］Raspa A，Pugliese R，Maleki M，et al.Recent therapeutic approaches for spinal
cord injury［J］.Biotechnol Bioeng，2016，113（2）：253-259.doi：10.1002/bit.25689. ［3］ Bastien D，Bellver Landete V，Lessard M，et al.IL-1alpha gene deletion protects oligodendrocytes after spinal cord injury through upregulation of the survival factor Tox3［J］.J Neurosci，2015，35（30）：10715-10730.doi：10.1523/JNEUROSCI.0498-15.2015. ［4］Keefe KM，Sheikh IS，Smith GM.Targeting neurotrophins to specific populations of neurons：NGF，BDNF，and NT-3 and their relevance for treatment of spinal cord Injury
［J］.Int J Mol Sci，2017，18（3）.pii:E548.doi：10.3390/ijms18030548.
［5］Takano M，Kawabata S，Shibata S，et al.Enhanced functional recovery from spinal cord injury in aged mice after stem cell transplantation through HGF induction［J］.Stem Cell Reports，2017，8（3）：509-518.doi：10.1016/j.stemcr.2017.01.013.
［6］Kabu S，Gao Y，Kwon BK，et al.Drug delivery，cell-based therapies，and tissue engineering approaches for spinal cord injury［J］.J Control Release，2015，219：141-154.doi：10.1016/j.jconrel.2015.08.060.
［7］王莹，李文媛，尹国华，等.二氢睾酮联合ADSC对大鼠脊髓损伤BDNF及其受体TrkB的影响［J］.中国实用神经疾病杂志，2017，20（5）：17-20.Wang Y，Li WY，Yin GH，et
al.Effects of DHT combined with ADSC transplantation on expression of BDNF and its receptor TrkB after spinal cord injury in rats［J］.Chinese Journal of Practical Neruous Diseases，2017，20（5）：17-20.doi：10.3969/j.issn.1673-5110.2017.05.005.
［8］ Xiong LL，Li Y，Shang FF，et al.Chondroitinase administration and pcDNA3.1-BDNF-BMSC transplantation promote motor functional recovery associated with NGF expression in spinal cord-transected rat［J］.Spinal Cord，2016，54（12）：1088-1095.doi：10.1038/sc.2016.55.
［9］ Lopes CD，Goncalves NP，Gomes CP，et al.BDNF gene delivery mediated by neuron-targeted nanoparticles is neuroprotective in peripheral nerve injury
［J］.Biomaterials，2017，121：83-96.doi：10.1016/j.biomaterials.2016.12.025.
［10］Uchida S，Hayakawa K，Ogata T，et al.Treatment of spinal cord injury by an advanced cell transplantation technology using brainderived neurotrophic factor-transfected mesenchymal stem cell spheroids［J］.Biomaterials，2016，109：1-11.doi：10.1016/j.biomaterials.2016.09.007.
［11］Lee SH，Kim Y，Rhew D，et al.Impact of local injection of brainderived neurotrophic factor-expressing mesenchymal stromal cells（MSCs） combined with intravenous MSC delivery in a canine model of chronic spinal cord injury［J］.Cytotherapy，2016.pii：S1465-3249（16）30540-0.doi：10.1016/j.jcyt.2016.09.014.
［12］Weishaupt N，Mason AL，Hurd C，et al.Vector-induced NT-3 expression in rats promotes collateral growth of injured corticospinal tract axons far rostral to a spinal cord injury［J］.Neuroscience，2014，272：65-75.doi：10.1016/j.neuroscience.2014.04.041. ［13］Edalat H，Hajebrahimi Z，Pirhajati V，et al.Exogenous expression of Nt-3 and TrkC genes in bone marrow stromal cells elevated the survival rate of the cells in the course of neural differentiation［J］.Cell Mol Neurobiol，2016.doi：10.1007/s10571-016-0448-y.［Epub ahead of print］.
［14］Pacelli S，Basu S，Whitlow J，et al.Strategies to develop endogenous stem cell recruiting bioactive materials for tissue repair and regeneration［J］.Adv Drug Deliv Rev，2017.pii:：S0169-409X（17）30118-7.doi：10.1016/j.addr.2017.07.011.
［15］Li G，Che MT，Zhang K，et al.Graft of the NT-3 persistent delivery gelatin sponge scaffold promotes axon regeneration，attenuates inflammation，and induces cell migration in rat and canine with spinal cord injury［J］.Biomaterials，2016，83：233-248.doi：10.1016/j.biomaterials.2015.11.059.
［16］Wu C，Cui Z，Liu Y，et al.The importance of EHD1 in neurite outgrowth contributing to the functional recovery after spinal cord injury［J］.Int J Dev Neurosci，2016，52：24-32.doi：10.1016/j.ijdevneu.2016.05.007.
［17］Schuster BS，Kim AJ，Kays JC，et al.Overcoming the cystic fibrosis sputum barrier to leading adeno-associated virus gene therapy vectors［J］.Mol Ther，2014，22（8）：1484-1493.doi：10.1038/mt.2014.89.
［18］Song Z，Wang Z，Shen J，et al.Nerve growth factor delivery by ultrasound-mediated nanobubble destruction as a treatment for acute spinal cord injury in rats ［J］.Int J Nanomedicine，2017，12：1717-1729.doi：10.2147/IJN.S128848.
［19］Akl MR，Nagpal P，Ayoub NM，et al.Molecular and clinical significance of fibroblast growth factor2（FGF2/bFGF） in malignancies of solid and hematological cancers for personalized therapies［J］.Oncotarget，2016，7（28）：44735-44762.doi：10.18632/oncotarget.8203.
［20］Xu Y，Kitada M，Yamaguchi M，et al.Increase in bFGF-responsive neural progenitor population following contusion injury of the adult rodent spinal cord ［J］.Neurosci Lett，2006，397（3）：174-179.doi：10.1016/j.neulet.2005.12.051. ［21］Xu HL，Tian FR，Lu CT，et al.Thermo-sensitive hydrogels combined with decellularised matrix deliverbFGF forthe functional recovery of rats after a spinal cord injury［J］.Sci Rep，2016，6：38332.doi：10.1038/srep38332.
［22］Shi Q，Gao W，Han X，et al.Collagen scaffolds modified with collagen-binding bFGF promotes the neural regeneration in a rat hemisected spinal cord injury model ［J］.Sci China Life Sci，2014，57（2）：232-240.doi：10.1007/s11427-014-4612-7. ［23］Tang Y，He H，Cheng N，et al.PDGF，NT-3 and IGF-2 in combination induced transdifferentiation of muscle-derived stem cells into Schwann cell-like cells［J］.PLoS One，2014，9（1）：e73402.doi：10.1371/journal.pone.0073402.
［24］Grulova I，Slovinska L，Blasko J，et al.Delivery of alginate scaffold releasing two trophic factors for spinal cord injury repair［J］.Sci Rep，2015，5：13702.doi：
10.1038/srep13702.。