严重的脊髓损伤常导致组织缺损。本文描述了两种成功桥接此类缺损的方法，可通过在急性损伤后以及完全脊髓横断五周后植入机械微连接系统，促进大鼠的组织适应、再生反应及功能改善。
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本文内容
摘要
摘要
脊髓损伤（SCI）后，损伤核心区域会形成瘢痕，阻碍轴突再生。在脊髓受到损伤、肿瘤切除或因创伤性事故导致组织缺损后，对损伤部位进行桥接有助于促进整体组织修复以及神经纤维的再生性生长 进入 和 超越 受损区域。本文介绍了两种实验性治疗策略：（1）将一种新型微型连接装置植入急性完全横断的胸段大鼠脊髓，以重新连接断开的脊髓组织残端；（2）在慢性损伤大鼠模型中，切除瘢痕后以聚乙二醇填充脊髓损伤部位。该模型中的慢性脊髓损伤为完全性脊髓横断，损伤于治疗前5周造成。这两种方法近期均取得了令人鼓舞的成果，在脊髓损伤的啮齿类动物模型中促进了轴突再生、有益的细胞浸润以及功能改善。
机械微连接器系统（mMS）是一种由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）构成的多通道系统，配备出口管路系统，可对mMS管腔施加负压，从而将脊髓残端吸入蜂窝结构的孔洞中。将其植入1 mm的组织缺损间隙后，组织即被吸入装置内部。此外，mMS的内壁具有微结构，以增强组织黏附性。
在慢性脊髓损伤模型中，需切除长度为4 mm的脊髓组织，包括充满瘢痕的病灶区域。显微外科瘢痕切除后，所形成的空腔填充聚乙二醇（PEG 600），该物质被发现可为细胞侵入、血管再生、轴突再生甚至紧密再髓鞘化提供优良的基质，且已在体内得到验证 in vivo。
引言
脊髓的创伤性损伤不仅导致轴突丧失，还会进一步造成组织缺损，从而阻碍任何再生反应（综述见1,2）。继发性退变常引起脊髓组织丢失，导致损伤区域及其周围形成囊腔或空洞。目前大多数实验性治疗干预主要针对不完全性脊髓损伤，例如部分横断、挤压或挫伤，这类损伤仍保留有一圈健康组织。而对于由创伤事故或手术干预（如肿瘤切除术）引起的完全性横断损伤，目前可用的治疗手段极为有限3,4。完全横断后，组织的机械张力会导致脊髓残端回缩，在脊髓中留下一个小的间隙。大多数策略集中于利用组织、细胞或基质来填充这一间隙5,6。
本文提出了一种不同的策略，即使用一种新型的微连接装置7对分离的脊髓残端进行重新对接。为了实现两个残端的再对接，需施加机械力，即施加轻微的负压来完成这一过程（图1）。该机械微连接系统（mMS）是一种由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制成的多通道系统，具有蜂窝状孔洞（图1A），并配有出口导管系统。该装置被植入因完全横断脊髓而在大鼠体内形成的组织间隙中（图1C）。其中一根导管可连接至真空泵，以对mMS施加负压（图1D）。负压将断开的脊髓残端拉入mMS的蜂窝状孔洞中，这些孔洞的壁面具有微结构，可在压力释放后固定组织位置（图1B）。手术后导管可保持完整，并可连接至渗透压微型泵，以便向损伤核心区域灌注物质（图1E-F）。
除了脊髓的急性横断外，另一种完全性损伤是由脊髓肿瘤的手术切除或致密的慢性损伤瘢痕所导致，从而形成数毫米大小的较大组织缺损，而目前微型多孔支架（mMS）尚无法跨越此类缺损。大多数脊髓损伤患者均表现为慢性损伤。在这些患者中，成熟的瘢痕组织占据了损伤核心区域。手术切除损伤瘢痕是一种正在实验性脊髓损伤（SCI）研究中探索的治疗策略8,9。尽管切除手术本身可在不造成显著附加损伤的情况下完成，但由此产生的组织缺损必须通过合适的基质材料进行桥接，以支持并促进组织再生；特别是在脊髓损伤的情况下，还需促进神经纤维的再生，以维持和改善运动功能。研究发现，低分子量聚乙二醇（PEG 600）是实现这一目标的非常适宜的材料。其无免疫原性且黏度极低，可实现与周围组织的平滑整合。单独植入该生物聚合物即可促进多种有益细胞的侵入，包括内皮细胞、外周施万细胞和星形胶质细胞，更重要的是，可促进下行和上行纤维束轴突的再生与延伸，并由致密髓鞘完成包绕8。这些再生反应伴随有持久的功能改善。将瘢痕组织切除与随后植入 PEG 600 相结合，是一种安全、简便但极为有效的修复显著脊髓组织缺损的方法。
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方案
遵守了有关动物安全与福利的机构指南，所有外科手术干预以及术前和术后动物护理均符合德国动物保护法（北莱茵-威斯特法伦州环境与消费者保护局，LANUV NRW）的规定。
1. 雌性Wistar大鼠（220 - 250 g）胸段脊髓完全横断术
- 脊髓的制备
- 使用异氟烷吸入麻醉（2 - 3% 异氟烷置于 O₂ 中）2/NO2 以1:2的比例混合，并通过皮下注射（s.c.）给予卡洛芬（Carprofen）5 mg/kg的推注剂量。建议联合使用卡洛芬与阿片类药物布托啡诺（buprenorphine，0.02 mg/kg，皮下注射）。当轻触棉签时眼睑反射消失，且用镊子夹捏刺激时足爪回缩反射不再出现时，开始手术。
- 将动物置于37 °C的加热垫上以维持术中体温，并在眼睛上涂抹眼膏以防止麻醉期间角膜干燥。
- 剃除动物背部毛发，并使用皮肤消毒剂处理皮肤。
- 沿胸椎中线用手术刀切开皮肤4厘米，并将其撑开。从此步骤开始，所有操作均需使用灭菌的手术器械（经高压灭菌或浸泡消毒）。
- 使用小型肌肉钳牵开胸椎上方的肌肉。
- 使用骨钳在胸椎第8（Th8）和第9（Th9）水平小心地逐段剪除棘突，直至椎体骨表面平整。
- 使用解剖镊在第7胸椎棘突处提起椎骨，用咬骨钳从尾侧向头侧逐步剪除小块椎骨，直至完成第8和第9胸椎的椎板切除术。每次仅去除少量且极小的骨片，小心操作以暴露硬脑膜，避免对其造成损伤。
- 用两个稳定夹在第7和第10胸椎棘突处夹住脊柱，提起动物以使呼吸运动与脊柱分离。
- 胸段8/9水平完全性脊髓横断
- 用精细镊子提起硬脑膜，用精细眼科剪刀剪开硬脑膜 横向
- 用精细镊子夹住硬脑膜的侧方切端，将脊髓钩插入硬脑膜与蛛网膜之间的蛛网膜下腔。操作镊子或脊髓钩时，应避免刺破软脑膜或硬脑膜，以防损伤脑膜组织。
- 缓慢旋转钩子，使其沿脊髓组织全长放置，注意不要刺破硬脑膜（软脑膜仍保持完整）。
- 将脊髓向上抬起约 1 - 2 mm，直至在脊髓组织与硬脊膜腹侧之间出现间隙。
- 将精细眼科剪插入硬膜与软膜之间的间隙，在保持脊髓钩原位的情况下剪断脊髓。
- 用两把镊子提起脊髓的两个残端，并通过肉眼确认完全横断。
- 对于对照损伤动物和慢性损伤动物，使用间断缝合关闭硬脑膜 9.0 单丝不可吸收缝线。
- 对于慢性病变，请遵循第1.6部分。
- mMS 移植
- 将mMS置于损伤部位上方，使两根管子分别位于椎骨两侧，然后将其 lowering 至损伤腔内。
- 用不可吸收的4-0缝线将导管缝合至椎体侧方肌肉，以确保微型肌肉刺激器（mMS）的稳定。此步骤中需使用镊子固定mMS。
- 用精细剪刀剪断并移除mMS连接器插针。
- 在mMS上方缝合硬脑膜，并使用9.0缝线进行缝合。
- 将一根管子连接至真空泵，并用夹子封闭另一根管子。
- 通过真空泵对磁性微球（mMS）施加轻柔的负压 通过 打开管口，将脊髓残端吸入mMS管腔内。施加负压数分钟（最长不超过10分钟），并通过传感器监测压力（250–350 mbar）。
- 将管子在接近 mMS 处剪断并移除管子。继续进行步骤 1.6。
- 脊髓组织切除术：包括初次损伤后第5周的慢性损伤瘢痕
- 按照步骤 1.1.1 - 1.1.5 进行操作。
- 通过观察脊髓表面呈棕黄色且质地僵硬的组织来识别瘢痕组织。用精细镊子夹住瘢痕组织表层，以精细剪刀轻轻剪除，逐层去除浅层瘢痕组织。采用此方法重新打开椎板切除部位，暴露包含脊髓损伤区域的组织。当肉眼观察到硬脊膜缝合线时，停止操作。
- 用两个稳定夹在胸椎第7和第10棘突处夹住脊柱，然后将动物抬高，以使呼吸运动与椎骨分离。
- 使用小型纸板尺测量将要切除的脊髓区域（长度：4 mm），并用横向切口标记该组织区域的边缘，以便后续切除组织。
- 去除瘢痕组织 通过 结合切割与吸引的方法。将通过横向切口分离出的组织从脊髓中取出。当轻柔吸引足以移除组织时，优先使用吸引法。此外，当瘢痕组织质地较硬，导致吸引困难时，可使用精细剪刀进行切割并移除该组织。
- 将一块止血明胶海绵（约5 mm × 5 mm × 5 mm的立方体）插入组织间隙，直至出血停止。明胶海绵一旦被液体浸湿，体积即会缩小。
- PEG 600 的植入
- 将1 ml未稀释的纯PEG 600加热至37 °C以备注射。
- 移除明胶海绵。
- 使用10 µl注射器或10 µl移液器，向间隙中加入足量PEG（约5–7 µl）。
- 用一块密封剂/硬脑膜替代物（约 5 mm × 4 mm）小心覆盖该区域。
- 用少量组织胶将密封剂固定于周围肌肉组织上。将密封剂置于填充了聚乙二醇的切除缺损处。为防止密封剂滑动，可用少量组织胶将密封剂的各个角固定于周围肌肉组织上。注意：避免组织胶渗漏至脊髓组织！
- 组织缝合与术后护理
- 用编织可吸收4-0缝线逐层间断缝合肌肉和皮肤
- 术后皮下注射 2 × 2.5 ml 氯化钠（NaCl [0.9%]）以补充水分，溶液温度应为 36 °C。单次注射 5 ml NaCl 会过度拉伸动物皮肤，可能对动物造成不必要的伤害。在动物完全恢复意识前，不得无人看护。
- 术后每天皮下注射卡洛芬（5 mg/kg），持续至少2天。术后前2天将动物单独饲养，之后以2 - 3只为一组共同饲养。
- 术后第一周进行抗生素治疗（每日口服恩诺沙星）。
- 每天进行两到三次手动排空膀胱，方法是轻轻从动物头部向尾部方向抚摸其腹部。注意不要移动动物的脊柱，且切勿提拉动物的尾巴。 在整个存活期间，每天手动排空完全脊髓损伤动物的膀胱。需注意将食物颗粒和水瓶放置在动物无需以后肢直立即可触及的高度。尽管后肢功能受损，动物在术后会立即主动移动并积极探索笼内环境。建议将大鼠以群居方式饲养。
- 对于慢性病灶，在瘢痕切除前给予动物五周的存活时间。遵循步骤1.4。
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结果
脊髓完全横断急性期植入微通道支架后的组织保存、轴突再生及功能改善
结果表明，在急性期植入微通道支架（mMS）可稳定完全横断的脊髓残端，并减少组织萎缩（图2A 对比 B）。通过矢状切面的三色染色显示，对照组损伤动物病灶核心区域纤维瘢痕的绿色结缔组织染色明显更致密、更显著（图2D），而mMS植入动物中则较弱（图2C）。有趣的是，在长期存活情况下，通过ED-1免疫组织化学染色观察病灶部位的巨噬细胞聚集情况，mMS植入组与对照损伤组之间未见明显差异（未展示）。
植入后立即观察到mMS管腔内缺乏组织，但在数天后逐渐被细胞和组织填充。术后5周可在mMS管腔内检测到大量轴突长入。图3A）。此外，mMS管腔已实现血管化（图3B...
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讨论
本文介绍了两种不同的外科手术方法，用于在以下情况下桥接脊髓组织缺损：（1）急性完全性横断损伤后植入mMS；（2）慢性脊髓损伤并切除纤维瘢痕后植入PEG基质。这两种策略均可实现组织保存和轴突再生，并显著改善治疗动物的运动功能。在mMS植入过程中，术后通过牢固缝合硬脊膜将mMS稳定固定于脊髓内，是关键的技术步骤。
mMS 由于其内置的微通道系统，具有进一步的治疗潜力，该系统可通过微通道将具有治疗活性的液体局部灌注至病灶核心。 例如，一个植入式渗透压微型泵7对于其预期的未来临床应用，mMS材料应具备生物可吸收性。目前，正在测试由基于乳酸的材料构成的连接系统的制备。此外，将建立在mMS上涂覆电子导电材料的技术，以对损伤的脊髓施加治疗性电场。
对于慢性脊髓损伤，由于在手术切除瘢痕后，若需跨越数毫米的缺损，分离的脊髓残端所承受的物理张力过高，因此采用了另一种策略。令人意外的是，低分子量的聚乙二醇600（PEG 600）被证明是一种非常适合用于填充该缺损的生物聚合物。它能够形成稳定的组织桥，促进血管生...
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
德国法定意外保险（DGUV），海因里希-海涅大学医学院研究委员会
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| PEG 600 Ph Eur | Merck/VWR | 8,170,041,000 | |
| 明胶海绵（Gelastypt） | 赛诺菲（sanofi Aventis） | PZN-8789582 | |
| Nescofilm 止血密封剂 | Roth | 2569.1 | |
| 拜耳动保（Baytril） | 拜耳（Bayer） | ||
| 瑞迪非（Rimadyl，卡洛芬） | 辉瑞（Pfizer） | ||
| 福尔宁（Forene，异氟烷） | 艾伯维（Abbvie） | ||
| 科丹（Kodan，皮肤消毒剂） | |||
| 组织胶（Histoacryl） | |||
| 弗里德曼-皮尔森咬骨钳，1 mm 杯状，直型 | 精细科学器械工具公司（Fine Science Tools） | 16020-14 | |
| 两用微型刮匙 - 12 cm | 精细科学器械工具公司（Fine Science Tools） | 10091-12 | |
| 杜蒙特 #7 镊子 - 医用不锈钢 | 精细科学器械工具公司（Fine Science Tools） | 11273-20 | |
| 杜蒙特 #5/45 镊子 - 医用不锈钢 | 精细科学器械工具公司（Fine Science Tools） | 11253-25 | |
| 脊髓钩 | 精细科学器械工具公司（Fine Science Tools） | 10162-12 | |
| 剪刀 | 精细科学器械工具公司（Fine Science Tools） | 14078-10 | |
| 钳子 | 爱惜康（Aesculap） | EA016R | |
| 强生爱惜康 Vicryl 4-0 | |||
| 贝潘尼（Bepanthen 眼鼻软膏） | 拜耳（Bayer） | ||
| 解剖镊 | 精细科学器械工具公司（Fine Science Tools） | 11000-13 | |
| 自持式牵开器 | 精细科学器械工具公司（Fine Science Tools） | 17008-07 | |
| 皮肤夹 | 精细科学器械工具公司（Fine Science Tools） | 13008-12 | |
| Aluspray | Selectavet |
参考文献
- Ramer, L. M., Ramer, M. S., Bradbury, E. J. Restoring function after spinal cord injury: towards clinical translation of experimental strategies. The Lancet. Neurology. 13 (12), 1241-1256 (2014).
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