骨髓間充質干細胞治療缺血性腦卒中的多重作用機制

雷 廷 李桂宏 孫玉學 張超超 黃海燕

(吉林大學第一醫院神經腫瘤外科，吉林 長春 130021)

骨髓間充質干細胞治療缺血性腦卒中的多重作用機制

雷 廷 李桂宏 孫玉學 張超超 黃海燕

(吉林大學第一醫院神經腫瘤外科，吉林 長春 130021)

骨髓間充質干細胞；缺血性腦卒中

骨髓間充質干細胞(BMSCs)治療缺血性腦卒中已得到動物實驗和臨床研究的證實，但其復雜的作用機制尚待進一步研究。本文就BMSCs治療缺血性腦卒中的移植途徑，向腦缺血區域的定向遷移、免疫調制功能、抑制細胞凋亡、增強腦缺血區的血管發生、神經營養因子的分泌、分化替代及重建神經環路等多個方面進行文獻綜述。

1 BMSCs移植途徑

BMSCs可通過顱內和血管內兩種移植途徑接種〔1〕。顱內途徑即指立體定向注射。經紋狀體直接注射能夠使更多的移植BMSCs到達大腦損傷靶點，使用的細胞數量少，起效時間短是其特點〔2〕；腦室內注射是另外一種顱內途徑，其成功依賴于移植細胞的遷移效果、對腦脊液的適應能力和穿過血腦屏障的生存力〔3〕。研究發現顱內移植由于存在侵入性，在梗死區的多次注射導致局部組織細胞機械性損傷〔4〕。

血管內途徑包括靜脈內和動脈內途徑。與顱內途徑相比，血管內途徑能夠使移植細胞在損傷部位更廣泛的分布，所以可能對大面積腦損傷的效果更好〔5〕。研究顯示組織損傷后能釋放大量的炎性細胞因子〔6〕，而BMSCs則可表達多種趨化因子受體〔7〕，因此能被損傷或炎癥區域吸引。腦缺血后，靜脈內移植的BMSCs靶向遷移到大腦缺血中心區和梗死周邊區。BMSCs靜脈輸注后多數在肺臟脈管系統被俘獲，可能與BMSCs體積較大有關〔8〕。與顱內注射相比，靜脈內注射雖相對簡單且損傷更小，但到達缺血腦組織的細胞數量較少〔9〕。動脈內移植要比靜脈的效果更好，減少其他組織捕獲細胞的數量，在短時間內直接把細胞送達整個缺血損傷部位。有臨床研究顯示，BMSCs動脈內移植能使細胞到達距離損傷更近的動脈末端，因此這是一種安全可行的促進卒中患者神經功能恢復的方式〔10〕。

雖然動脈內途徑和顱內途徑均可減少其他組織捕獲細胞的數量，但是這2種方法都存在侵襲性。BMSCs經不同途徑移植治療腦卒中的療效及安全性仍有待確定。另外，移植的最佳時間窗仍不明確，可能是越早效果越好；最優注射劑量也在研究中〔11〕。

2 BMSCs治療缺血性腦卒中的作用機制

2.1 BMSCs向腦缺血區域的定向遷移 通過活體顯微或組織放射顯影發現移植的BMSCs主要聚集在缺血周邊區和腦室下區〔12〕。由于腦缺血梗死區小膠質細胞和星形膠質細胞可分泌基質細胞衍生因子(SDF)-1，而BMSCs可表達SDF-1的同源受體趨化因子受體CXCR-4，SDF-1和CXCR-4的相互作用可能使BMSCs向梗死區遷移〔13〕。也有研究證實，CXCR-4或SDF-1α的缺乏會顯著降低BMSCs靶向遷移效果〔14〕。Wang等〔15〕認為BMSCs表達的CXCR-7和CXCR-4協同作用促進BMSCs的遷移，并且認為CXCR-7的作用比CXCR-4強。Zhang等〔16〕研究認為趨化因子CX3CL1/fractalkine通過CX3CR1活化Jak2-Stat5alpha-ERK1/2信號，觸發整聯蛋白依賴的結構重組促使BMSCs向缺血損傷腦組織趨化性遷移。說明BMSCs遷移是一個多因子共同作用的結果。但BMSCs具體是如何跨越血腦屏障的仍有待確定。

2.2 BMSCs具有免疫調制功能 BMSCs具有免疫調制功能，可以同時減弱先天性和適應性免疫反應，減輕中樞神經系統損傷。局部缺血性腦卒中誘發強烈的炎癥反應導致白細胞向梗死區域募集〔17〕。體外實驗顯示當白細胞和BMSC共培養時，白細胞增殖減少，發生分化異常〔18〕。MSCs分泌的轉化生長因子(TGF)-β能降低腦缺血區單核細胞趨化蛋白(MCP)-1水平，減少循環CD68+免疫細胞穿過受損的血腦屏障滲入到腦梗區域的數量，抑制腦缺血區的免疫反應〔19〕。另外，MSCs也可能通過降低小膠質細胞中STAT3的表達及磷酸化〔20〕，降低白細胞介素(IL)-23/IL-17的表達〔21〕，同時降低IL-1β、IL-6和腫瘤壞死因子(TNF)-α的水平〔22〕，發揮抑制免疫反應的作用。有研究證實BMSCs可升高IL-10并降低TNF-α，限制缺血后損傷〔23〕。移植的BMSCs抑制T細胞增殖，促進Treg細胞表型表達，非特異性的抑制CD4+和CD8+T細胞的產生〔24〕。MSC還能夠通過下調巨噬細胞、B細胞、NK細胞和抗原提呈細胞的表達抑制炎癥反應〔25〕。另外，MSC靜脈途徑移植時可能被肺臟捕獲，動脈途徑移植又會聚集在脾臟，但對大腦仍有免疫調制作用〔26〕。這說明移植的MSC對免疫功能的長遠影響，但其免疫調制機制還不完全清楚。

2.3 BMSCs能有效抑制細胞凋亡 BMSCs移植能有效抑制缺血損傷半暗帶的細胞凋亡。研究發現，BrdU-BMSCs移植治療的腦卒中大鼠細胞凋亡減少且堿性成纖維細胞生長因子(bFGF)表達增加。BMSCs移植后星形膠質細胞凋亡反應減弱〔27〕。應用人源BMSCs靜脈內移植時檢測到更少的凋亡細胞〔28〕。MSCs可能通過激活Akt依賴的抗凋亡級聯反應〔26〕，降低caspase-3活性，降低Bax/Bcl-2比例，降低IL-1β、IL-6和TNF-α的水平〔29〕，抑制細胞凋亡，進而促進內源性神經干細胞和膠質細胞等的增殖〔30〕。

2.4 BMSCs能增強腦缺血區的血管發生 腦卒中缺血梗死區和周邊區的血管發生在介導神經元的存活和再生中發揮重要作用。BMSCs移植能增強腦缺血區的血管發生，增加新生微血管的數量，顯著改善神經血管的損傷〔31〕。BMSCs可分泌血管內皮生長因子(VEGF)、bFGF、胎盤生長因子(PIGF)等多種促進血管生成的細胞因子〔32〕。BMSCs除分泌生物活性分子促進血管發生外，其本身還能起到支撐作用，如支持周細胞、星形細胞和內皮細胞的交聯，維持血腦屏障的完整性，在血管周圍形成支持神經發生的微環境，參與促進神經功能恢復〔33〕。

2.5 BMSCs能夠分泌多種神經營養因子 有研究〔31〕顯示，缺氧條件下將BMSCs和皮質神經元共同培養后，BMSCs可分泌多種神經營養因子。為檢測BMSCs分泌的神經營養因子的作用，培養來自大鼠的BMSCs，取培養基(Cm)對缺血卒中動物模型進行治療，培養基能在增強神經細胞間的連接，促進卒中后功能恢復等方面發揮效能〔34〕。腦缺血大鼠移植BMSCs后，BMSCs能在移植早期發揮積極的神經營養支持作用〔32〕。BMSCs還能誘導中樞神經系統實質細胞分泌神經生長因子(NGF)、腦源性神經營養因子(BDNF)、膠質細胞源性神經營養因子(GDNF)、表皮生長因子(EGF)、bFGF、胰島素樣生長因子(IGF)-1、肝細胞生長因子(HGF)、干細胞因子(SCF)等〔35〕，這些生物活性因子可協同作用促進腦卒中損傷的恢復。BMSCs能夠正調節骨形態發生蛋白(BMP)-2/4，促進突觸囊泡蛋白的表達〔36〕，而這些因子可促進腦缺血區星形細胞的分化，并提高縫隙連接蛋白(CX)-43的表達，加快腦內小分子交換，增強突觸的效能〔37〕。由BMSCs直接或間接產生的生物活性分子可促進神經發生，提升腦白質的完整性，誘導突觸發生。

2.6 BMSCs的分化替代及重建神經環路 體外研究的結果顯示，BMSCs具有能力為多個胚胎系細胞的分化，包括神經元、神經膠質細胞和內皮細胞等。既往研究顯示，BMSCs移植后，在缺血性腦卒中動物模型中樞神經系統檢測到神經細胞和神經膠質細胞標志物〔38〕。有研究發現MSC不能表達功能性神經細胞的電壓門控離子通道〔39〕。缺血性腦卒中動物模型最終的行為改善可能是基于神經系統的可塑性或者是內源性神經干細胞的活化遷移〔40〕。因此MSC直接分化為替代腦卒中后損傷的中樞神經系統細胞的可能性很小，或者說缺乏確切的證據。

BMSCs增強軸突的可塑性，重建神經回路可能是缺血性卒中后神經功能恢復的基礎〔41〕。BMSCs由靜脈途徑移植后，大鼠紋狀體、海馬、胼胝體中軸突和髓鞘數量顯著增高，缺血區神經元發出的軸突沿反應性星形細胞的放射性延伸方向生長〔42〕。BMSCs通過軸突萌發恢復不同腦區域的聯系，顯著增強大腦梗死周邊運動皮質的存活，促進腦卒中后功能恢復〔41〕。BMSCs移植有修復缺血損傷的神經網狀系統重建神經聯接的潛能，而回路活性的恢復可能有助于提升感覺運動功能〔35〕。然而，BMSCs誘導突觸再塑的分子機制還不是很清楚。

3 臨床試驗的療效和安全性

一項應用BMSCs移植缺血腦卒中患者的研究中〔43〕，把缺血腦卒中患者隨機分為實驗組和對照組，實驗組接受靜脈灌注自體BMSCs，與不接受治療的患者對照組相比，BMSCs顯著的提高了患者改良的Rankin評分和Barthel指數，在隨訪中，沒有發現比如靜脈血栓栓塞、異常的細胞增殖、系統性惡性腫瘤、系統性感染、神經系統衰退等不良作用的證據〔44〕。這些數據為BMSCs移植治療腦缺血卒中的安全性及改善卒中后功能提供了初步的支持。其他探究自體和異體BMSCs移植安全性和效能的臨床試驗，縮短BMSCs體外培養擴增周期方法，卒中后引入BMSCs時機的選擇，不同應用劑量對治療效能的影響等研究也都在進行。

綜上所述，BMSCs能遷移并存活于腦缺血半球，創造有利于存活和再生的微環境來修復損傷的神經組織。BMSCs引發的抗炎反應能減輕神經水腫，免疫調制也減輕梗死區神經細胞及神經膠質細胞的凋亡。BMSCs誘導血管發生，改善大腦血液循環，促進神經組織修復。BMSCs促進有利作用細胞因子和神經營養因子的釋放，給缺血半影區易損傷的神經元提供營養支持。BMSCs可能刺激局部軸突萌發，髓鞘再塑，促進內源性神經發生。BMSCs治療機制的研究已經取得了很多成果，但是仍未完全闡明，尤其是神經再塑和血管發生的生物分子機制仍是待深入研究的方向。隨著BMSCs移植治療缺血性腦卒中的多重作用機制研究的不斷深入，將為我們在腦缺血性疾病的治療、促進腦缺血后神經功能恢復、改善其預后等方面提供更具價值的臨床指導。骨髓間充質干細胞移植是治療腦缺血的一個有希望的策略。

1 Guzman R,Choi R,Gera A,etal.Intravascular cell replacement therapy for stroke〔J〕.Neurosurg Focus,2008;24(3-4):E15.

2 Jin K,Sun Y,Xie L,etal.Comparison of ischemia-directed migration of neural precursor cells after intrastriatal,intraventricular,or intravenous transplantation in the rat〔J〕.Neurobiol Dis,2005;18(2):366-74.

3 Wang L,Lin Z,Shao B,etal.Therapeutic applications of bone marrow-derived stem cells in ischemic stroke〔J〕.Neurol Res,2013;35:470-8.

4 Walczak P,Zhang J,Gilad AA,etal.Dual-modality monitoring of targeted intraarterial delivery of mesenchymal stem cells after transient ischemia〔J〕.Stroke,2008;39(5):1569-74.

5 Gopurappilly R,Pal R,Mamidi MK,etal.Stem cells in stroke repair:current success and future prospects〔J〕.CNS Neurol Dis Drug Targ,2011;10(6):741-56.

6 Ahmadian Kia N,Bahrami AR,Ebrahimi M,etal.Comparative analysis of chemokine receptor's expression in mesenchymal stem cells derived from human bone marrow and adipose tissue〔J〕.J Mol Neurosci,2011;44:178-85.

7 Honczarenko M,Le Y,Swierkowski M,etal.Human bone marrow stromal cells express a distinct set of biologically functional chemokine receptors〔J〕.Stem cells(Dayton,Ohio),2006;24(4):1030-41.

8 Wang W,Jiang Q,Zhang H,etal.Intravenous administration of bone marrow mesenchymal stromal cells is safe for the lung in a chronic myocardial infarction model〔J〕.Regenerat Med,2011;6(2):179-90.

9 Chen J,Li Y,Wang L,etal.Therapeutic benefit of intravenous administration of bone marrow stromal cells after cerebral ischemia in rats〔J〕.Stroke,2001;32(4):1005-11.

10 Jiang Y,Zhu W,Zhu J,etal.Feasibility of delivering mesenchymal stem cells via catheter to the proximal end of the lesion artery in patients with stroke in the territory of the middle cerebral artery〔J〕.Cell Transplant,2013;22(12):2291-8.

11 Kawabori M,Kuroda S,Ito M,etal.Timing and cell dose determine therapeutic effects of bone marrow stromal cell transplantation in rat model of cerebral infarct〔J〕.Neuropathology,2013;33(2):140-8.

12 Yilmaz G,Vital S,Yilmaz CE,etal.Selectin-mediated recruitment of bone marrow stromal cells in the postischemic cerebral microvasculature〔J〕.Stroke,2011;42(3):806-11.

13 Wang Y,Deng Y,Zhou GQ.SDF-1α/CXCR4-mediated migration of systemically transplanted bone marrow stromal cells towards ischemic brain lesion in a rat model〔J〕.Brain Res,2008;1195:104-12.

14 孫 艷，何冬梅，張 洹.小鼠胎肝間充質干細胞在缺血腦組織中遷移機制的研究〔J〕.中國應用生理學雜志，2009;25(1):12-6.

15 Wang Y,Fu W,Zhang S,etal.CXCR-7 receptor promotes SDF-1α-induced migration of bone marrow mesenchymal stem cells in the transient cerebral ischemia/reperfusion rat hippocampus〔J〕.Brain Res,2014;1575:78-86.

16 Zhang Y,Zheng J,Zhou Z,etal.Fractalkine promotes chemotaxis of bone marrow-derived mesenchymal stem cells towards ischemic brain lesions through Jak2 signaling and cytoskeletal reorganization〔J〕.FEBS J,2015;282(5):891-903.

17 Kim JY,Kawabori M,Yenari MA.Innate inflammatory responses in stroke:mechanisms and potential therapeutic targets〔J〕.Curr Med Chem,2014;21(18):2076-97.

18 Sato K,Ozaki K,Oh I,etal.Nitric oxide plays a critical role in suppression of T-cell proliferation by mesenchymal stem cells〔J〕.Blood,2007;109(1):228-34.

19 Yoo SW,Chang DY,Lee HS,etal.Immune following suppression mesenchymal stem cell transplantation in the ischemic brain is mediated by TGF-β〔J〕.Neurobiol Dis,2013;58(1):249-57.

20 McGuckin CP,Jurga M,Miller A-M,etal.Ischemic brain injury:a consortium analysis of key factors involved in mesenchymal stem cell-mediated inflammatory reduction〔J〕.Arch Biochem Biophys,2013;534(1-2):88-97.

21 Ma S,Zhong D,Chen H,etal.The immunomodulatory effect of bone marrow stromal cells(BMSCs) on interleukin(IL)-23/IL-17-mediated ischemic stroke in mice〔J〕.J Neuroimmunol,2013；257(1):28-35.

22 Zhu Y,Guan YM,Huang HL,etal.Human umbilical cord blood mesenchymal stem cell transplantation suppresses inflammatory responses and neuronal apoptosis during early stage of focal cerebral ischemia in rabbits〔J〕.Acta Pharmacol Sin,2014;35(5):585-91.

23 Liu N,Chen R,Du H,etal.Expression of IL-10 and TNF-alpha in rats with cerebral infarction after transplantation with mesenchymal stem cells〔J〕.Cell Mol Immunol,2009;6(3):207-13.

24 Di Nicola M,Carlo-Stella C,Magni M,etal.Human bone marrow stromal cells suppress T-lymphocyte proliferation induced by cellular or nonspecific mitogenic stimuli〔J〕.Blood,2002;99(10):3838-43.

25 Marigo I,Dazzi F.The immunomodulatory properties of mesenchymal stem cells〔J〕.Semin Immunopathol，2011;33(6):593-602.

26 Li Y,Chopp M.Marrow stromal cell transplantation in stroke and traumatic brain injury〔J〕.Neurosci Lett,2009;456(3):120-3.

27 Ankrum J,Karp JM.Mesenchymal stem cell therapy:Two steps forward,one step back〔J〕.Trends Mol Med,2010;16(5):203-9.

28 Li D,Fang Y,Wang P,etal.Autologous transplantation of adipose-derived mesenchymal stem cells attenuates cerebral ischemia and reperfusion injury through suppressing apoptosis and inducible nitric oxide synthase〔J〕.Int J Mol Med,2012;29(5):848-54.

29 Liu Y,Zhang Y,Lin L,etal.Effects of bone marrow-derived mesenchymal stem cells on the axonal outgrowth through activation of PI3K/AKT signaling in primary cortical neurons followed oxygen-glucose deprivation injury〔J〕.PLoS One,2013;8(11):e78514.

30 Li Y,Chen J,Chen XG,etal.Human marrow stromal cell therapy for stroke in rat:neurotrophins and functional recovery〔J〕.Neurology,2002;59(4):514-23.

31 Chen J,Li Y,Zhang R,etal.Combination therapy of stroke in rats with a nitric oxide donor and human bone marrow stromal cells enhances angiogenesis and neurogenesis〔J〕.Brain Res,2004;1005(1-2):21-8.

32 Wakabayashi K,Nagai A,Sheikh AM,etal.Transplantation of human mesenchymal stem cells promotes functional improvement and increased expression of neurotrophic factors in a rat focal cerebral ischemia model〔J〕.J Neurosci Res,2010;88(5):1017-25.

33 Honmou O,Onodera R,Sasaki M,etal.Mesenchymal stem cells:therapeutic outlook for stroke〔J〕.Trends Mol Med,2012;18(5):292-7.

34 Tsai MJ,Tsai SK,Hu BR,etal.Recovery of neurological function of ischemic stroke by application of conditioned medium of bone marrow mesenchymal stem cells derived from normal and cerebral ischemia rats〔J〕.J Biomed Sci,2014;21(1):5.

35 Ishizaka S,Horie N,Satoh K,etal.Intra-arterial cell transplantation provides timing-dependent cell distribution and functional recovery after stroke〔J〕.Stroke,2013;44(3):720-6.

36 Zhang C,Li Y,Chen J,etal.Bone marrow stromal cells upregulate expression of bone morphogenetic proteins 2 and 4,gap junction protein connexin-43 and synaptophysin after stroke in rats〔J〕.Neuroscience,2006;141(2):687-95.

37 Xin H,Li Y,Chen X,etal.Bone marrow stromal cells induce BMP2/4 production in oxygen-glucose-deprived astrocytes,which promotes an astrocytic phenotype in adult subventricular progenitor cells〔J〕.J Neurosci Res,2006;83(8):1485-93.

38 Jiang W,Liang G,Li X,etal.Intracarotid transplantation of autologous adipose-derived mesenchymal stem cells significantly improves neurological deficits in rats after MCAo〔J〕.J Mater Sci Mater Med,2014;25(5):1357-66.

39 Hofstetter CP,Schwarz EJ,Hess D,etal.Marrow stromal cells form guiding strands in the injured spinal cord and promote recovery〔J〕.Proc Natl Acad Sci U S A,2002;99(4):2199-204.

40 Ding DC,Shyu WC,Chiang MF,etal.Enhancement of neuroplasticity through upregulation of β1-integrin in human umbilical cord-derived stromal cell implanted stroke model〔J〕.Neurobiol Dis,2007;27(3):339-53.

41 van Velthoven CT,van de Looij Y,Kavelaars A,etal.Mesenchymal stem cells restore cortical rewiring after neonatal ischemia in mice〔J〕.Ann Neurol,2012;71(6):785-96.

42 Liu Z,Li Y,Zhang ZG,etal.Bone marrow stromal cells enhance inter-and intracortical axonal connections after ischemic stroke in adult rats〔J〕.J Cereb Blood Flow Metab,2010;30(7):1288-95.

43 Bang OY,Lee JS,Lee PH,etal.Autologous mesenchymal stem cell transplantation in stroke patients〔J〕.Ann Neurol,2005;57(6):874-82.

44 Bhasin A,Srivastava MV,Kumaran SS,etal.Autologous mesenchymal stem cells in chronic stroke〔J〕.Cerebrovasc Dis Extra,2011;1(1):93-104.

〔2016-11-01修回〕

(編輯 李相軍)

黃海燕(1963-)，男，主任醫師，教授，博士生導師，主要從事缺血損傷后神經再生等研究。

雷 廷(1989-)，男，碩士在讀，主要從事顱腦相關腫瘤研究。

R743

A

1005-9202(2017)06-1544-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.06.106