聚吡咯在中枢神经系统损伤后修复中的应用

作者:周岩,余新光,张庆武,杨水   作者单位：. 中国人民解放军总医院神经外科，北京 100853； 2. 中国矿业大学北京校区化环学院，北京 100083        【摘要】  　　中枢神经系统损伤后神经再生困难。组织工程的出现为遭受神经系统损伤的病人创造了希望，但功能恢复不满意。将聚吡咯 （PPy） 引入组织工程可有效地改进组织与工程材料界面性质，减少胶质瘢痕，整合损伤后中枢神经电信号，促进神经再生。但PPy 有着自身的缺陷：可加工性能差，属脆性材料，不能生物降解。本文对PPy在中枢神经系统损伤后修复中的应用前景进行综述。

   【关键词】  聚吡咯； 中枢神经系统； 创伤和损伤； 神经再生

    1    PPy的电化学特性

    吡咯单体分子是一个含氮的五元环，其被氧化时，先失去一个电子，形成阳离子自由基，它们互相碰撞而形成二聚体，最后形成高聚体。其导电载流子主要是极化子和双极化子，因此具有良好的电化学性，且氧化还原稳定性好,其导电率可在2～3年内保持稳定。所以PPy是电导稳定性最好的导电高分子之一。

    PPy膜通常采用电化学方法制备，其具有良好的物理和化学性质：①导电；②表面性质可控；③生物相容；④比较稳定；⑤易于制备；⑥柔韧性和强度较好。而且，其水溶性有半导体特性，PPy的导电性和生物相容性与所掺杂的阴离子种类、性质有关。

    在组织工程中使用导电高分子材料的优点：①通过此类高分子材料施加的电刺激主要集中在导电聚合物周围区域,易于对加载的刺激进行空间调控，而不会像使用外源电磁场刺激时，不能很好地将刺激定位。②合成导电高分子材料时，可调控表面拓扑结构。

    2    PPy的生物相容性

    导电高分子的表面特性，如电荷密度和可湿润性等，可在电势存在下发生可逆性变化。电荷密度和湿润性等表面特性，在蛋白吸收和细胞－底物相互作用中发挥着关键作用。因此，PPy是组织工程中一种重要的备选材料。而导电PPy制成的执行元件可在水溶液中工作，在生理环境具有应用前景。

    吴坚等[3]用化学合成的PPy粉末提取液，进行了急性和亚急性毒性试验、热原试验、MTT、溶血试验、过敏试验、微核试验、皮肤刺激试验和眼结膜刺激试验，结果显示PPy是无毒、无致热原、不引起溶血和过敏、也无致突变和刺激作用的材料，具有良好的生物安全性。

    2.1    对神经细胞生长的影响    神经细胞是一类比较特殊的细胞，由于它的高度分化一般不能再生，因此，神经细胞受损的病人往往会留下后遗症，而使受损伤的神经细胞尽可能再生也就成为研究热点。Schmidt等[4]用鼠PC-12细胞做研究对象，在48 h的培养过程中 （24 h后），通过PPy膜给细胞加2 h恒压100 mV的电刺激，再测量生长的神经节长度，结果表明：加电刺激比不加电刺激神经节增长近1倍。将SD大鼠背根神经节 （dorsal root ganglia，DRG） 细胞与PPy联合培养，10 d后DRG朝PPy定向生长，并伸展出细长突起，向外延伸[5]。通常，培养细胞的生长和功能是通过添加培养基的成分来控制的。大多数哺乳动物细胞具有黏附依赖性，必须附着并在表面伸展才能生长和分化，因此，细胞与培养皿内表面的相互作用对于其生长和功能的调节至关重要。如果将细胞和细胞外基质 （ECM） 蛋白之间的相互作用进行改变，这种伸展将被阻止。若能够调节培养皿表面和ECM的表面属性，就能控制细胞的生长和功能。Wong等[6]研究表明：PPy对哺乳动物细胞形状和生长可进行无损调控。这样的控制不受细胞密度和培养液成分的影响，仅通过加电就可以可逆地改变PPy的表面结合特性，在细胞操作和组织工程中有广阔的应用前景。

    2.2    聚吡咯的组织相容性    Kamalesh等[7]将乙烯－乙酸乙烯酯共聚物 （EVAc）、聚乙烯 （PE） 和聚苯胺 （PANi） 膜植入SD大鼠背侧皮下，观察19～90周，应用组织学检查、间隙压力检测、X-线光电子光谱法 （XPS） 评价聚合物的生物相容性；整个移植期未发现任何刺激性炎性反应，移植区周围未发现任何不相容反应，移植区低间隙压力证实这些聚合物具有良好的生物相容性。尽管显微外科技术已取得了重大进展，但是周围神经修复的功能结果仍很不满意，总的来说神经移植的效果要差于原位神经缝合。神经再生中血管化作用非常弱，Hobson等[8]为了增加神经再生中的血管化作用的影响，将含有血管内皮生长因子 （VEGF，500或700 ng/ml） 的层黏连蛋白胶体注入硅胶管中以桥接缺损1 cm的大鼠坐骨神经；结果显示：30 d时VEGF显著增加血管、Schwann细胞和轴突再生，180 d时78%有髓鞘轴突再生。

    3    PPy电刺激对神经细胞的影响

    电刺激影响神经再生的原因可归结为：①生长锥迁移中存在细胞膜生长因子、黏附受体或细胞活性蛋白，如肌纤蛋白等的电泳。②有利于细胞膜的形态或ECM构象的改变。③神经质的直接去极化或过极化。④蛋白质合成的增加。⑤电场诱导的培养介质或组织液中离子或分子形成浓度梯度。

    生物材料对蛋白质的吸附是它移植体内最先发生的事件，随之的细胞行为均通过被吸附的蛋白质层进行。蛋白质的吸附在材料－细胞和材料－组织间相互作用中起着关键作用。此外，应用PPy通过电刺激可改变蛋白吸收和神经细胞的相互作用[8]。PPy的电刺激可显著增强神经轴突的生长；更为重要的是，PPy可塑形成导管，体内引导神经再生。当将电流施加于PPy时，电刺激可影响蛋白质吸收。PPy电刺激在短时间内可增加纤连蛋白 （FN） 的吸收。与此相应，PC-12细胞在PPy膜上的轴突生长更旺盛。然而，长期电刺激对蛋白质吸收或神经轴突的生长却无显著差异。因而，PPy电刺激的短期效应可强化神经轴突的生长。

    4    PPy在CNS损伤后修复中的应用

    脊柱骨折、脊髓损伤 （SCI）　所致截瘫的比例极高，其中近1/3的病人为完全性SCI[9]。完全性SCI的后期修复，需解决三个方面的问题：①SCI处大多已形成胶质瘢痕，阻碍轴突的生长，需将其切除，所造成的缺损需要适当移植组织。②再生的轴突穿过移植组织。③运动纤维与感觉纤维各自进入相应的通道，并且与上或下神经元建立突触连接，才有可能恢复脊髓功能[10]。对完全性SCI，临床上目前尚无有效的治疗方案。而这些问题的解决必须依赖于组织工程技术。倪石磊等[11]应用携带神经干细胞的聚碳酸亚丙酯作为支架，在修复犬脊髓急性损伤的实验中发现组织工程方法可抵御瘢痕侵入，神经干细胞能整合入邻近脊髓组织并起到一定的保护作用。

聚吡咯在中枢神经系统损伤后修复中的应用

发表时间：2007-12-20 15:12:12 浏览次数：11 来源：《中国微侵袭神经外科杂志》

    SCI后白质传导束轴突破坏通常产生病变节段以下的功能丧失。由于中枢神经系统环境不适合轴突生长，自然再生非常受限。因此，需要进行大量工作，促进SCI后轴突再生[12]。这些工作的基本目标是促进轴突生长穿过损伤区，与具有活力的组织整合。

    PPy应用于周围神经修复中可使轴突延伸数厘米，并能使功能得到较满意的恢复[13]。考虑到典型的人类SCI损伤区能延伸数厘米，利用足够数量和长度的轴突桥接损伤区以形成功能中继，这仍然面临着巨大的挑战。然而，目前还不知道PPy在SCI后的修复中会产生什么样的效应。近年来已有将生物可降解聚合移植物应用于外科修复受损脊髓的报道[14]。这种材料在促进PNS轴突再生方面已获得了较满意的结果[15]，但在CNS中却还未进行充分的探索[16]。理论上讲，生物可降解聚合移植物具有双重优点，既可为轴突再生提供结构性支架，也可为治疗制剂的持续释放提供导管[17]。作为支架，移植物的微结构需设计成最适合轴突生长的成分构成；作为传送促轴突再生制剂的导管，生物可降解聚合物为局部控制释放难题提供了一种有效的解决方法。因此，生物可降解聚合移植物与导电高分子的结合可能会为轴突再生穿过SCI区并最终达到功能康复提供一种最佳的结构和细胞、分子框架。

    将杂环导电聚合物PPy经电化学聚合精确沉积于神经修补元件的各个电极上，可为神经修补元件与中枢神经组织提供紧密的接触。利用纳米硬度仪得到的载荷-位移曲线表明：PPy涂层具有疏松的表面结构，在受到压力时，涂层渐被压实，涂层的平均模量为1.3 GPa，介于修补元件材料与中枢神经组织之间，在力学模量上起到了良好的中间过渡层作用[18]。通过控制PPy的表面特性 （如湿润性和电荷密度），能改变神经组织与聚合物的相互作用模式[6]。此外，Stauffer等[19]对PPy表面上的星形胶质细胞进行研究，发现PPy可显著降低星形胶质细胞的黏附、聚集。

    PPy的另一个优点是具有可蚀刻性，这可扩展生物医学的应用范围，包括多聚体器件和神经支架[2]。因为PPy具有导电性，所以可形成生物电环路，将电信号和神经信号进行相互整合。PPy还可作为组织支架，植入神经缺失部位 （如中风和Parkinson病），可促进神经细胞再生，减少神经胶质细胞的数量，可强化聚合物与正常脑实质的相互作用能力。

    5    PPy在中枢神经系统损伤后修复中的应用前景

    显而易见，组织工程的出现为遭受神经系统损伤的病人带来了希望。组织工程中应用导电聚合物的三个关键优点是：①通过PPy实施的电刺激可集中于局部，易于空间控制。而应用外源性电磁场刺激神经元的缺点就是不能将刺激局限于局部。②通过合成不同的表面特性，导电聚合物 （PPy） 的柔韧性有不同表现。③基质类似物和生长因子既可物理整合、释放，也可聚合于PPy膜上，这有利于使用多种刺激模式强化轴突再生。但PPy 有着自身的缺陷：可加工性能差，属脆性材料，不能生物降解等。

    当前的研究提示：SCI后可存在一定程度的解剖结构再生和功能恢复。尽管该方面取得了一定的成果，但许多因素仍需阐明。研究这些因素有助于仔细分析中枢神经系统病损部位的复杂环境，发现和利用诱导神经元进入生长活性状态的责任信号系统，成功引导轴突再生至其靶器官以及在其之间建立功能性突触连接后，功能恢复成为可能。

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