骨髓間充質干細胞治療中樞神經系統疾病的研究進展

王蘇平，儲成艷綜述，李 深審校

細胞療法正處于蓬勃發展的階段，已經成功治愈一些疾病。然而，對于類似大腦、脊髓這樣復雜的器官組織，細胞療法仍面臨巨大的挑戰。神經細胞療法指的是替代丟失或者損傷的神經元及其功能，主要通過移植的細胞定向分化為指定的表型并且整合到組織中或者直接或間接分泌生長因子和神經遞質促進神經功能恢復。這種方法仍面臨著很多問題包括移植后細胞的存活、細胞命運(比如避免畸胎瘤的形成)、維持指定的細胞分化表型等問題。其中，細胞存活是最具挑戰的技術難題之一，例如在帕金森病(Parkinson’s disease，PD)模型中，只有很小比例的移植細胞(10%～20%)存活時間達到2 w［1］。對于這些問題的解決，尋找可替代的細胞和與組織工程的聯合應用顯得格外重要。

1 細胞療法中骨髓間充質干細胞具有突出的優勢

有研究曾試圖使用胚胎干細胞(Embryonic stem cell，ES)、誘導性多功能干細胞(Induced pluripotent stem cells，iPS)、神經干細胞(Neural stem cells，NSCs)移植來阻止神經元的丟失或者替代它們改善神經功能。但是，這些細胞面臨著醫學倫理學、細胞來源有限和移植排斥等一系列問題。成體干細胞是成體細胞的一種類型，具有自我復制、多向分化潛能，可以克服免疫排斥和倫理學相關問題及具有從體內分離相對簡單和更易整合到腦組織等特點［2］。不僅如此，成體細胞與ES、iPS 相比不易形成腫瘤或者畸胎瘤，成為近期細胞療法研究的熱點細胞。其中，骨髓間充質干細胞(Bone mesenchymal stem cells，BMSCs)是一類存在于骨髓網狀間質內的非造血干細胞，可以橫向分化為神經細胞。更加重要的是，它們還可以通過促進神經新生、免疫調節、抑制細胞凋亡等途徑來保護和修復神經組織［1，3］。總之，BMSCs 移植到中樞神經系統中是可行的，對人類也是安全的［4～6］。BMSCs 極有可能成為治療人類中樞神經系統疾病的細胞。

2 BMSCs 用于治療中樞神經系統疾病的研究進展

2.1 BMSCs 與缺血性腦卒中 在缺血性腦卒中動物模型中，BMSCs 可以提高神經新生、保護神經細胞和減小腦梗死面積等方式改善卒中后運動和認知功能。BMSCs 對神經功能的改善作用很可能是通過直接或間接促進生長因子和其它旁分泌因子的分泌實現，而移植的BMSCs 分化為神經細胞并不是卒中后功能恢復的主要機制，因為在這些研究中移植細胞的存活率很低，分化的細胞數目則更少。最近，McGuckin 等［7］利用哇巴因誘導的大鼠腦缺血模型揭示BMSCs 可以通過降低小膠質細胞和星形膠質細胞活性發揮抗炎作用，同時參與非經典JAK-STAT 信號通路介導的免疫調節作用。研究人員利用大鼠腦梗死模型，比較BMSCs 經頸內靜脈輸注、頸動脈注射和腦室移植的效應，結果表明經腦室移植途徑治療的大鼠梗死灶面積最小，損傷部位有更多的移植細胞聚集［8］。

BMSCs 治療缺血性腦卒中的臨床試驗也在陸續開展。Bang 等［4］給5 例重度缺血性腦卒中的患者靜脈輸入自體BMSCs，發現接受BMSCs 移植患者的神經功能明顯恢復。并在5 y 的隨訪中，血液、細胞、影像學檢查結果均未見明顯異常，提示靜脈注射BMSCs 是一種簡易、安全的療法。Lee等［5］隨機將85 例重度大腦中動脈梗死的患者分成兩組，實驗組經靜脈輸注體外擴增的自體BMSCs，在5 y 的研究周期里共有16 例實驗組和36 例對照組患者完整地參與了此項研究，結果表明BMSCs 治療沒有任何不良反應，改良Rankin量表評分顯示實驗組患者功能恢復較對照組更佳，試驗還發現移植BMSCs 患者的功能恢復與血清中基質細胞源性細胞因子(Stromal-derived factor 1，SDF1)水平和側腦室旁區的參與有關。最近，Honmou 等［6］再次為BMSCs 移植的安全性和療效提供了有力證據，他們將相對大劑量的自體BMSCs 靜脈輸注到12 例腦卒中患者體內，實驗組部分患者在移植后2 w 癥狀恢復有很大改善。1 y 后對這12 例患者進行影像學和血清學檢查，發現患者腦梗死面積減小、沒有出現腫瘤和異常細胞生長。

2.2 BMSCs 與腦外傷(Traumatic brain injury，TBI)BMSCs 移植同樣被用于TBI 的治療以達到促進功能恢復的目的，移植的BMSCs 最多只有10%分化為神經元，所以這一機制并不是促進TBI 動物模型功能改善的唯一途徑［1］。BMSCs 分泌的生長因子如胰島素樣生長因子-1、血管內皮生長因子、腦源性神經營養因子等促進神經新生、減少神經元的凋亡與丟失和神經組織的重塑可能是引起功能恢復的主要機制［3］。有趣的是，預先低氧刺激的BMSCs 移植后療效更加顯著［9］。最近，對BMSCs 的作用機制又出現一種新的解釋，研究發現BMSCs 分泌的基質金屬蛋白酶組織抑制因子-3(tissue inhibitors of metalloproteinase-3，TIMP3)可以改善TBI 后血腦屏障的穩定性和通透性［10］。Han 等［11］提出對重度TBI 大鼠的療效與細胞移植的時間相關，他們分別在TBI后1 d 和7 d 將BMSCs 注射到損傷的胼胝體，結果顯示7 d后注射細胞的大鼠功能恢復的更好，而且更加有效地抑制了星形膠質細胞的活性。除了SDF1 可以趨化BMSCs 移向腦組織，Deng 等［12］發現粒細胞集落刺激因子可以調動BMSCs聚集在外w 血中，之后一起向受損的腦組織遷移并分化成神經細胞。盡管這些研究結果都證明BMSCs 可以促進TBI 后功能的恢復，但是受損面積卻沒有明顯變化，組織工程學有可能會解決這一問題。

2.3 BMSCs 與脊髓損傷(Spinal cord injury，SCI)早在2002 年，Hofstetter 等［13］就發現BMSCs 可以促進SCI 后神經功能的恢復，并在受損神經組織中存活，形成與周圍正常組織相似的神經纖維。Osaka 等［14］在大鼠SCI 后的不同時間點(6 h 到28 d)給予靜脈輸注BMSCs 治療，結果顯示治療越早運動功能恢復的越明顯，但僅觀察到少數帶有神經元和膠質細胞標記物的移植細胞。此外，BMSCs 移植還可以減輕小膠質細胞和星形膠質細胞的反應，增加神經營養因子的產生，保護神經細胞和促進神經軸突、血管的新生［15，16］。有研究采用直接植入損傷部位、腦池注射和靜脈輸注3 種不同方式探索BMSCs 移植的最佳途徑，結果表明在沒有植入細胞數目的限制下，腦池注射是最有效且最安全的細胞植入方式［17］。如果將電刺激和BMSCs 聯合應用于SCI 治療會提高移植BMSCs 的存活率、分化和神經纖維的新生，大鼠受損的神經功能恢復效果會更加明顯［18］。值得注意的是，與異體移植BMSCs 相比，自體移植對于SCI 的功能恢復更加有效［19］，移植體外已分化成神經樣細胞的BMSCs 比移植未分化的BMSCs 療效好［20］。

Saito 等［21］首先開展BMSCs 治療SCI 的臨床試驗，發現經腰椎穿刺鞘內移植BMSCs 治療的患者沒有出現不良反應，移植的細胞可分泌一些營養因子保護神經元和膠質細胞。之后，他們繼續使用鞘內注射BMSCs 的方式對5 例因頸髓損傷導致四肢癱瘓的患者進行治療，患者功能明顯恢復，此后隨訪的1～4 y 中沒有出現任何不良反應，再次證明了鞘內移植BMSCs 是安全有效的方式［22］。最近，Karamouzian等［23］采用非隨機臨床試驗方法，利用腰椎穿刺方式將BMSCs 植入11 例胸椎水平SCI 患者的腦脊液中，另外20 例患者接受傳統方式治療，BMSCs 治療的患者在12～33 m 的隨訪中沒有出現發熱、頭痛等不良反應，BMSCs 治療組5 例(45.5%)和對照組3 例(15%)患者功能恢復，提示BMSCs有治療SCI 的潛能。

2.4 BMSCs 與神經系統退行性疾病

2.4.1 BMSCs 治療PD 一項有趣的研究報道指出就細胞形態、表型和多向分化而言，正常人和PD 患者分離出的BMSCs 沒有明顯區別。體外培養的BMSCs 可以分化為多巴胺能神經元，數目最高可達30%，提示這些細胞能夠被用于PD 患者持續分泌多巴胺［24］。BMSCs 預先誘導分化成神經元后移植到大鼠多巴胺能傳入神經被完全阻滯的紋狀體中，與移植單純的BMSCs 相比，對神經功能的改善更有效。利用微透析技術證明紋狀體中部分多巴胺是由移植的BMSCs產生的，有少部分移植細胞擁有神經樣形態和神經標記物。實際上，BMSCs 移植引起的神經功能恢復有多種機制能夠解釋。BMSCs 在動物PD 模型中遷移到損傷部位可能對腦神經起到營養和保護作用，同時也可能促進內源性神經新生。Danielyan 等［25］發現PD 大鼠經鼻內給藥后，BMSCs 出現在皮質、嗅球、海馬、紋狀體等區域，損傷部位的炎癥因子水平明顯降低，并且完全阻止了6-羥基多巴胺(6-hydroxydopamine，6-OHDA)導致的多巴胺神經元凋亡。

2.4.2 BMSCs 治療亨廷頓舞蹈癥、阿爾茨海默病 紋狀體內注射喹啉酸(quinolinic acid，QA)常被用于制作動物亨廷頓舞蹈癥(Huntington’s disease，HD)模型。紋狀體內直接移植BMSCs 會降低QA 所致的大鼠紋狀體萎縮程度，同樣，靜脈輸注BMSCs 能夠促進HD 大鼠認知和運動功能的恢復。在大部分實驗研究中，只有少數移植細胞具有神經元表型，因此BMSCs 可能主要通過分泌生長因子作為神經營養加強者促進神經細胞存活和其它代償反應發揮作用［26］。Lin等［27］就發現移植的BMSCs 可通過與宿主組織整合、促進神經細胞的增殖與分化、抗凋亡等方式改善HD 小鼠的運動功能。需要注意的是，自體移植BMSCs 不適用于治療HD 這類遺傳性疾病，因為移植細胞同樣帶有突變的基因。

BMSCs 可以穿過血腦屏障進入海馬，進而改善阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)大鼠的空間學習和記憶能力。令人驚訝的是，移植細胞在AD 大鼠海馬中的存活率大于在正常海馬組織［28］。Bae 等［29］證實腦室注射BMSCs 可以急劇降低AD 小鼠腦中淀粉樣蛋白(amyloid β，Aβ)的沉積，增強與突觸傳遞相關的關鍵蛋白(動力蛋白-1)、突觸膜蛋白-1 的表達。BMSCs 對Aβ 的這種效應可能與其加速小膠質細胞的激活有關，小膠質細胞可以直接吞噬Aβ［30］。由于AD 腦組織有多個部位損傷，單純的細胞療法并不是最理想的治療手段。因此，即使BMSCs 治療AD 的研究正在增加，AD 可能不會成為重點研究對象。

3 BMSCs 與組織工程聯合應用治療中樞神經系統疾病

細胞療法一直受移植后細胞存活率、細胞分化和細胞與宿主的整合等問題的困擾。隨著生物醫學材料研究的深入，組織工程學很有可能解決這些問題。目前，支架的應用最為廣泛，它為移植細胞提供三維的空間支撐，提高細胞存活率，甚至誘導細胞分化。研究已經證實BMSCs 與支架聯合應用可以提高對中樞神經疾病的治療效果。BMSCs 聯合膠原支架移植不僅可以促進TBI 后神經功能的恢復還能夠加強移植細胞向腦實質遷移，減小受損部位的大小。Jian 等［31］通過比較發現無論是移植細胞的存活率、分化還是神經功能的恢復，BMSCs 聯合支架療法都比單獨BMSCs 治療效果更顯著。同樣的結論在另一個研究團隊中也得到證實［32］。在HPMARGD 凝膠支架聯合BMSCs 治療慢性大鼠SCI 實驗中，研究人員發現聯合治療改善了神經功能，阻止受損神經組織的萎縮，并且在凝膠里觀察到血管、星形膠質細胞和髓鞘包繞的軸突。Kang 等［33］將單純BMSCs 移植和與聚乳酸-羥基乙酸共聚物(poly(lactic-co-glycolic acid，PLGA)支架聯合應用治療脊髓全橫切SCI 進行比較，結果顯示只有BMSCs 聯合支架組才會有軸突的新生，并且有大量的神經樣細胞形成，移植細胞至少可以存活8 w。

4 展 望

BMSCs 對中樞系統疾病的療效在動物實驗中已經得到廣泛證實，一些臨床試驗結果也為其實現臨床應用提供了有利的證據。然而，這種治療方法缺乏長效性，移植細胞的存活率太低，僅僅依靠移植細胞短暫地保護、營養神經無法達到根治疾病的目的。支架能夠有效提高移植細胞在體內的存活率，促進細胞分化和其與宿主組織的整合。BMSCs 與組織工程聯合應用具有良好的前景，在治療TBI、SCI 動物實驗中已經顯現出巨大的優勢。近期，有報道指出BMSCs 與富含血小板血漿支架的聯合應用在治療腦出血方面療效出色［34］。更多支架與BMSCs 聯合應用治療中樞神經疾病的實驗研究正在進行。然而，支架與BMSCs 聯合應用的研究過程中同樣面臨挑戰，首先是支架的選擇，不同的神經組織可能對支架的要求不同。其次，如何將支架和細胞一起運送到受損組織，使治療過程對宿主的創傷最小。最后，怎樣進一步提高支架協同細胞療法的療效。

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