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周邊神經再生研究的發展與展望
工研院生醫中心生醫材料暨組織工程技術組楊炯琳研究員

本文是台北縣黃明進先生提供張貼的,非常謝謝他的熱心。
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前言:
  神經系統是人體中最精細複雜的系統,一但受到損傷,輕則部份組織器官無法運作,嚴重的話甚至全身癱瘓,人生變成黑白。神經修復的研究可源於 1800 年前(西元 200 年), Galen 被認為是第一個討論神經再生可能性的醫師;西元 600 年時, Paul 與 Argina 進行的縫合修復是最早的紀錄,又經過了被人們認為神經是無法再生的數百年後,直到 1850 年代, Waller¢s 重新發現了周邊神經會先退化再進行再生的天性; Seddon 開始將索狀神經移植物應用於克服較長神經缺損時縫合兩端所引起的張力問題,此概念後來也被採用為血管化的神經移植物。近代顯微手術的應用也改善了周邊神經的修復,生醫材料與組織工程的發展也對神經再生提供了更多的幫助。

神經系統簡介:
  神經系統分為兩部份:中樞神經系統 (central nerve system, CNS) 與周邊神經系統 (peripheral nerve system, PNS) ,腦與脊髓屬於中樞神經,有大量的神經元 (neurons) 、星形神經膠質 (astroglia) 、小神經膠質 (microglia) 以及寡樹突膠質細胞 (oligodendrocyte) ,負責整合、辨認、起始、傳遞及處理內外刺激引起的信號。周邊神經則包括所有在腦與脊髓之外的神經系統,如神經節 (ganglia) 、運動神經元 (motor neurons) 以及感覺神經 (sensory nerves) 。
圖一 神經的構造

  一般來說,神經的構造包括細胞本體 (cell body, soma) 、樹突 (dendrites) 以及軸突 (axon) (圖一),電訊號由樹突接收,透過細胞體到達軸突尾端傳遞出去;大部份細胞主體與樹突位於 CNS ,但軸突可以延伸至身體各處(可長達一公尺)。在周邊神經系統中,圍繞著軸突的是許旺細胞 (Schwann cells) ,提供支撐及形成絕緣的髓鞘 (myelin sheath) 加速電傳導。雖然在神經受傷後重建電及化學訊號連結的目標看來單純,但其間所牽涉到的複雜的交互作用則使神經再生成為非常艱鉅的挑戰。

神經損傷與再生:
  神經系統損傷多起因於疾病或外傷,中風造成腦部功能受損,脊椎損傷則會造成受傷部位以下癱瘓,周邊神經受損則是使較小區域的神經功能喪失,此外帕金森氏症會使神經系統受損。目前以周邊神經修復的研究較為成功,本文的探討也將集中在周邊神經系統。
圖二 神經斷裂缺口須以移植物協助再生

  當神經被割斷或受輾壓時,神經功能會喪失,遠端 (distal) 部份的神經會死亡、退化,近端 (proximal) 則有可能再生,重新連接使功能恢復。被輾壓的神經通常會留有一管狀通道供軸突生長,而切斷的神經則會產生一缺口 (gap) ,為改善神經的復原,缺口小時可以用手術的方式接合斷裂的兩端,較大的缺口則必須要以一移植物做為橋樑,減少神經的張力 (tension) 並引導軸突的再生(圖二)。當近端的軸突生長到遠端時,其前端的生長椎 (growth cone) 會進入神經退化後,由去髓鞘化的許旺細胞與圍繞在周圍的基底層 (basal lamina) 形成的神經內膜管 (endoneurial tube) ,之後藉由與周圍基質及細胞分泌的一些因子的交互作用,軸突便可到達目標處,完成神經再生。

神經移植物 (nerve grafts) :
  神經移植以自體移植物 (autograft) 較佳,不會有免疫排斥的問題,但來源有限且病人需二次手術;另外也有人用異體移植物、血管或肌肉纖維,雖然效果也相當不錯,但都有異體組織造成排斥、物性差、來源有限與不易保存的缺點。以生醫材料製備神經鞘管 (conduit) 則是目前較具潛力的方式(圖三)。
圖三 斷裂神經以神經鞘管協助再生示意圖

  早期許多研究利用矽管 (silicone tube) 這種不可分解的合成高分子,雖然有不錯的成果,但時間久了可能會有毒性或壓迫到神經,需二次手術取出,相當不便。近年的研究則以生物可吸收的材料為主,必須考慮材料的生物相容性、缺口的長度及鞘管的柔軟度、製成多孔性材料其孔洞的大小與在生物體內的持久性,目前研究應用於神經鞘管的材料主要有: PLA (polylactic acid) , PGA (polyglycolic acid) , PLGA (poly-lactic-co-glycolic acid) , PCL (polycaprolactone) 等,再加入一些天然的成分如膠原蛋白 (collagen) 、葡萄胺聚醣 (glycosaminoglycan, GAG) 等細胞外間質 (extracellular matrix, ECM) ,可促進細胞(如許旺細胞)的貼附移動,提高復原效果。綜合近年來不同材料的成分及動物實驗條件列於表一。 2000 年時已有研究以塗佈膠原蛋白之 PGA 管內充填表面附有 laminin 之膠原蛋白纖維,於狗模式動物實驗進行 80mm gap 的腓神經 (peroneal nerve) 再生研究,雖然功能的恢復不佳,但確實有部份神經可以跨越如此長的距離,使大缺口的神經再生成為可能。

  生物吸收性材料還有另一個好處:可包覆生長因子 (growth factors) 或滋養因子 (trophic factors) ,在降解的過程中釋放出來,達到控制釋放 (controlled release) 的效果。 表一 應用於神經移植物之生物吸收性材料
材料 動物 缺口長度(mm) 年份
Glycolide trimethylene carbonate Rat 5 1992
Polyester Rat 5, 10, 20 1984
Mouse   3~13 1985
Polyglactin Rabbit 7 ~ 9 1982
Rabbit   10 1983
PGA Monkey 1 ~ 1.5 1991
Monkey   30 1988
Rat   5 1990,1991
Human   5~30 1990
Rabbit   30 1996
PGA mesh coated with collagen Cat 25 1995
PGA tube coated with collagen and filled
with laminin-coated collagen fibers
Dog 80 2000
PLA Mouse 4 ~ 5 1985
Poly (organo) phosphazine Rat 10 1995
Polyorthoester Cat 15 1987
Copolymer of collagen and GAG Rat 10, 15 1996
Copolymer of L-lactide and caprolactone Rat 10 1993,1996
Copolymer of L-lactide and ε-caprolactone
(inner layer) and a mixture of PU and PLA
(outer layer)
Rat 7 1990

組織工程之人工神經:
  神經移植物固然可以提供神經再生的通道,但是神經再生牽涉到非常複雜的機制,包括細胞與周圍環境基質以及生長因子、神經滋養因子等分子之間的作用,若是以組織工程的方式來製備一類似神經組織的人工神經,應可達到更佳的神經再生與功能復原效果。

  組織工程的人工神經應包含四個部份:

  1. 提供軸突生長移動的支架 (scaffold) ;
  2. 支持細胞(如許旺細胞與巨噬細胞);
  3. 生長因子(如 NGF 、 NT3 等);
  4. 細胞外間質 (ECM) ,圖四為示意圖。
  目前由於材料製備過程、細胞培養的環境與生長因子的活性、控制釋放等考慮,能真正做到結合四個部份的研究極少,但已有一些實驗是將培養好的許旺細胞置入或塗佈在神經鞘管內,期望藉由許旺細胞所分泌的一些神經滋養因子及細胞貼附因子與軸突作用,促進神經再生。有部份實驗顯示,於 48 小時觀察,含許旺細胞的神經鞘管中神經生長的速度是無許旺細胞的 14.7 倍。

  生長因子的控制釋放系統方面,目前的發展是以生物降解性的高分子(如 PLGA 、 PCL) 以乳化法製成微粒 (microspheres) ,包覆 NGF 、 NT3 等生長因子,利用改變共聚物的不同比例 (copolymer) 控制釋放速率。目前大部份研究仍集中在體外測試生長因子的釋放行為,少數動物實驗的結果顯示生長因子的釋放的確可以促進神經生長。

  神經受傷後參與再生的細胞外間質成分非常多且複雜,除了膠原蛋白與多醣類外,最重要的要算是 Laminin 了。 Laminin 是一種醣蛋白 (glycoprotein) ,為基底層的主要成份之一,可以引導軸突的生長(圖五),這方面有相當多的研究,也有直接以 Laminin 上某些有效的氨基酸片段作為材料表面處理的分子,對神經再生也有相當好的結果。
圖一 神經的構造
圖四 人工神經構造示意圖
圖一 神經的構造
圖五 laminin(箭頭內範圍)可引導軸突的生長

結語:
  雖然神經再生的研究越來越多且廣,但是仍受阻於對軸突增生等機制相關知識的缺乏,神經鞘管對神經修復的幫助也多限於 10 ~ 15mm 的長度﹔此外動物實驗主要以老鼠作為模型,在老鼠身上的實驗結果可能會與用於人體的情況大相逕庭,而我們仍有許多的問題需要解答:

  1. 神經鞘管中這四種成分理想的組合是如何?
  2. 建立生長因子甚至細胞的梯度 (gradients) 是否重要?需考慮形式、濃度及在臨床須維持的最佳假設梯度?
  3. 細胞的培養與擴增技術是否會太昂貴而缺乏應用性?
  4. 神經再生與組織工程的技術發展如何控制?
  5. 表面化學物質的降解會阻礙或促進神經再生?
  6. 我們的努力應該是製造一個引導神經生長的通道,還是調控受傷的神經回復到胚胎的階段 (embryonic stage) ,使軸突可以增生?
  這些挑戰對於用於神經修復的組織工程概念只是個初步的開始,未來還需要更多不同領域的研究者參與,研發真正的組織工程產品。【本文作者為工研院生醫中心生醫材料暨組織工程技術組楊炯琳研究員】

參考資料:

  1. Carole A. et al., “The Development of Bioartificial Nerve Grafts for Peripheral-Nerve Regeneration”, Trends Biotechnology 16:163-168, 1998
  2. Steuer, H. et al., “Biohybride nerve guide for regeneration: degradable polylactide fibers coated with rat Schwann cells”, Neuroscience Letters 277(3): 165-168, 1999
  3. Gregory R.D. Evans, “Challenges To Nerve Regeneration”, Seminars in Surgical Oncology 19:312-318, 2000
  4. Matsumoto K. et al., “Peripheral nerve regeneration across an 80-mm gap bridged by a polyglycolic acid (PGA)–collagen tube filled with laminin-coated collagen fibers: a histological and electrophysiological evaluation of regenerated nerves”, Brain Research 868(2): 315-328, 2000
  5. B.L. Seal et al., “Polymeric Biomaterials for Tissue and Organ Regeneration”, Materials Science and Engineering R 34:147-230, 2001
  6. Gregory R.D. Evans, “Peripheral Nerve Injury: A Review and Approach to Tissue Engineered Contrusts”, The Anatomical Record 263:396-404, 2001
  7. http://www.ifj.com
  8. http://sol.rutgers.edu/cbe2.html
  9. http://www.emedicine.com/ent/opic12.htm
***本文請參考化工資訊與商情月刊第2期(92年8月號)***


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資料收集整理: 新竹市脊髓損傷者協會 戚啟禮

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