综述：用于修复和再生脑组织的可注射生物材料与生物支架的转化考量

　　本综述系统探讨了可注射生物支架在脑组织修复与再生中的转化应用前景。文章重点解析了细胞外基质(ECM)支架的降解动力学、病理环境下蛋白酶(如MMPs)的调控机制，以及通过内源性细胞招募实现组织再生的创新策略。特别强调了非人灵长类动物模型在转化研究中的关键作用，为急性脑损伤治疗提供了从基础研究到临床应用的完整技术路线图(TRL)。

　　

可注射生物支架的革命性潜力

脑组织修复与再生面临着独特的生物学和技术挑战。与其他器官不同，脑组织缺乏自发再生能力，仅具备有限的自我修复潜力。成年神经发生虽然能够通过迁移替换丢失的神经元并参与损伤组织修复，但这一过程本身不足以重建丢失的组织结构。可注射细胞外基质(ECM)来源的生物支架为解决这一难题提供了新的希望。

介入脑组织的技术路径

由于大脑受到颅骨的保护，介入治疗需要特殊的技术路径。虽然存在鼻内和血管内给药策略，但向病变腔隙内输送大体积生物支架仍然面临重大挑战。经颅接入是目前最常用的方式，需要通过钻孔或颅骨切除手术创建接入点。

颅骨成形术是修复颅骨缺损的关键步骤，临床上有多种产品可供选择。较小的骨孔可以使用聚合物覆盖装置或促进骨再生的止血材料进行修复。传统的骨蜡（由蜂蜡和软化剂组成）已使用一个多世纪，它既能止骨出血，又在颅内外提供物理屏障。

硬脑膜修复同样至关重要。脑膜由硬脑膜、蛛网膜和软脑膜三层组成，每层都具有独特的生物学特性和功能。在开颅手术中，脑膜的精细切除和保存使得自体移植成为可能，而同种异体和异种（特别是猪源）材料也可用于重新密封硬脑膜。

微创影像引导下的精准输送

通过颅骨钻孔进行微创输送是最常见的生物支架递送方式。这种方法需要细针穿刺深部组织或腔隙，同时最小化对"完整"脑组织的损伤。磁共振成像(MRI)等技术可用于测量组织腔隙体积，并为导管放置提供手术规划。

对于深部大体积病变腔隙，注射-引流填充方法最为有效。材料密度是避免浮力的重要因素，在微球或类器官的情况下，如果未悬浮在水凝胶中，沉降就会成为问题。剪切应力和注射压力，以及注射器/针头内的交联，都可能改变生物支架结构，导致注入类似面条状的条索而非体积填充液体。

可注射生物支架的设计考量

可注射生物支架需要通过针头进行输送，因此必须处于液体或轻微粘稠状态以适应注射器和针头管腔。固体生物支架设计为微米或纳米颗粒时，通常需要悬浮在液体介质中输送。材料的粘度因而成为可注射性的主要决定因素。

除了材料粘度外，生物支架的凝胶化时间在转化应用中也是重要变量。水凝胶的预凝胶制备需要装入注射器，安装在立体定位架上并注射。凝胶化时间决定了预凝胶何时不再具有可注射性，无法适应腔隙拓扑结构。

原位凝胶化与组织缺陷拓扑的契合

原位凝胶化对于将生物支架保留在腔隙内至关重要。虽然部分预凝胶可能会渗透到脑组织中，但必须有足够的材料保留在腔隙内以维持细胞侵袭。生物支架与脑组织之间的一致界面对于细胞侵袭至关重要，如果不存在这种界面，细胞就不会侵入。

ECM水凝胶的蛋白质浓度及其流变特性也是其降解的决定因素。除了未凝胶的蛋白质外，水解（即交联蛋白质与水的相互作用导致的降解）和侵蚀（即蛋白质从水凝胶中洗脱）都会使水凝胶降解。水中蛋白质浓度较高的较硬水凝胶比较软凝胶降解更慢。

病理环境与生物支架的相互作用

多种蛋白酶在急性脑损伤后以及神经退行性变过程中作用于组织。可注射生物支架的材料组成决定了哪些蛋白酶会导致生物降解。ECM基水凝胶具有高胶原含量，在凝胶化过程中发生交联。已知蛋白酶，特别是胶原酶家族的基质金属蛋白酶(MMPs)，能够溶解这些蛋白质和其他蛋白质。

生物支架的降解受到其病理环境的影响，但来自支架的分子/蛋白质也会渗透到腔隙周围组织中。神经胶质瘢痕会影响这一过程。在亚急性期，瘢痕仍在形成中，允许预凝胶更容易地渗透到周围组织，而成熟的瘢痕则为生物支架/组织界面提供屏障，可能导致不太理想的结果。

细胞招募与新生组织的形成

支架降解是确保生物支架释放生物活性分子的重要过程，这些分子招募宿主细胞重建新组织。植入后6小时内，免疫细胞通过梗死周围组织侵入生物支架，细胞侵袭高峰出现在植入后约18小时。免疫细胞引领生物降解过程。

神经干细胞(NSCs)和内皮细胞(ECs)之间存在复杂的相互作用，驱动小管形成，导致组织再血管化。再血管化和再神经化需要同时发生，以确保新形成组织的活力。由于诱导性生物支架诱导这种内源性细胞反应，神经和血管细胞来源于周围的腔隙周围组织。

从小型啮齿类到大型灵长类的转化挑战

虽然可注射生物支架在脑损伤的小型啮齿类模型（如小鼠、大鼠和兔子）中展示了可行性和治疗潜力，但从小型啮齿类到灵长类（如人类）的临床转化框架需要进一步考虑。

小型啮齿类动物最适合进行可行性初步研究，例如快速筛选不同类型的生物支架，以及建立基本的生物学原理。这些动物的高繁殖率、快速成熟速度以及空间和成本效率，是经济地开发有希望的候选物和消除无效设计的主要优势。

中间和大型动物模型的重要性

尽管小型啮齿类和大型灵长类之间的生物学高度保守，但大小、解剖学和生理学差异会影响结果和效果解释。灵长类动物具有更大的大脑和更复杂的组织结构。例如，啮齿类动物具有平滑脑（即皮层缺乏脑回和脑沟），而人类具有脑回脑。

在灵长类动物中，白质构成大脑的较大部分，并且在急性脑损伤中受到严重影响，包括影响远离原发性损伤区域的沃勒变性。目前尚不清楚生物支架将如何影响白质束恢复。大多数灵长类动物大脑的大体积在影像引导手术植入和输送体积方面带来了新的输送挑战。

临床试验的考量

生物支架再生脑组织的首次人体试验可能包括在小队列患者(n<10)中进行的技术可行性试验（有时称为0期）。这些初步试验可以确保技术（生物支架、手术工具、颅骨成形术、硬脑膜成形术、生物标志物）准备好在一期临床试验(n>10)中评估安全性。

对于可注射生物支架，这将涉及材料本身的安全性，以及确定植入手术是否引起任何不良影响。一些生物材料，如ECM基生物支架，已广泛用于患者而没有主要安全问题，但这些大多是在大脑外部或用于硬脑膜成形术。

结论

生物支架从小型啮齿类到大型灵长类的转化旅程是一个复杂多方面的过程，涉及应对挑战和利用机遇。可注射生物支架代表了脑组织修复和再生的一条有前途的途径。虽然在其设计、输送和整合理解方面取得了显著进展，但几个转化挑战仍然存在。

越来越倾向于体内研究以确定支持成功治疗效果的技术和生物学条件是必要的。尽管很容易认为仅改进材料设计就足以实现治疗效果，但通过跨学科研究和合作应对这些转化挑战，对于实现可注射生物支架在脑组织修复/再生临床应用中的全部潜力至关重要。通过仔细应对这些挑战并利用小型啮齿类、中间和非人灵长类模型(NHP)的独特优势，研究人员和临床医生可以共同推进再生医学领域，最终提高急性脑损伤患者的生活质量。