HUCMSCs 在脊髓損傷細胞移植應用中的研究進展

潘志鵬 李思成 湯 龍 姚黎清

昆明醫科大學第二附屬醫院康復醫學部，云南昆明 650101

脊髓損傷（spinal cord injury，SCI）是一種高致殘率和高死亡率的神經系統疾病，直接或間接暴力損傷是發生SCI 的首要原因。據估計，全球每年25 萬～50 萬人罹患SCI，在我國SCI 患者中，男性高于女性，其中大部分是40～50 歲的重體力勞動者[1]。近幾十年來，隨著交通工具的快速發展，SCI 的發病率維持高位并且呈現持續增高的趨勢[2]。隨著時間的推移，SCI 常導致神經功能障礙、褥瘡、肺炎等多種并發癥，不僅給患者帶來身心傷害，也給家庭和社會帶來經濟負擔。當前對SCI 的治療早期主要采取手術減壓和藥物抗炎、鎮痛為主，后期以康復訓練和日常護理為主要措施[3-4]。然而，在SCI 治療的大樣本臨床隨機對照試驗中，這些方法存在著無法克服的缺點[5-6]。因此，尋找到治療SCI 安全、有效的措施，對改善患者生存質量、家庭及社會經濟負擔具有顯著意義，這也是當前神經病學、康復醫學研究的重點之一。人臍帶間充質干細胞（human umbilical cord mesenchymal stem cells，HUCMSCs）移植作為一種新型的生物療法，為SCI 的治療指引了新思路和新方向。研究顯示，HUCMSCs 能對神經組織產生修復和再生的作用[7]。有研究表明，HUCMSCs 能在SCI 的繼發性損傷期，通過激活神經膠質細胞和調節炎癥因子來發揮修復、鎮痛及促進功能恢復的作用[8]。且有研究表明，HUCMSCs 外泌體能在脊髓損傷區域通過減少炎癥因子的分泌來控制炎癥，幫助損傷脊髓的修復[9]。此外，HUCMSCs 可聯合高分子生物材料通過NUR77/NF-κB 信號通路減少促炎性細胞因子的產生來減輕神經炎癥，改善SCI 的預后[10]。總而言之，大量的研究證實HUCMSCs 與SCI 的治療與修復有著密切關系，本文將圍繞HUCMSCs 在SCI 應用中的最新研究進展，系統地總結HUCMSCs 的特性及其在SCI 中潛在的神經修復機制和應用。

1 HUCMSCs

1.1 概論

HUCMSCs 是一種來源于胎兒遺棄臍帶的具備多分化及自我更新能力的全能干細胞。在適宜的環境刺激下，其能在體外大量增殖并分化為神經元、星型膠質細胞和少突膠質細胞，并且分泌神經營養因子[11-14]。HUCMSCs 具有很強的遷徙和移植能力，還具備容易獲得和倫理爭議較少的優勢。這些優勢使得HUCMSCs具有廣闊的應用前景。

1.2 特性

目前，HUCMSCs 被用于修復肝臟、胰島、腦神經、肌肉、脊髓神經等組織，主要是因為其擁有以下特性[15]。①誘導分化：HUCMSCs 可以通過特定的誘導，分化成脂肪細胞、成骨細胞及神經元細胞[16]。②旁分泌機制：HUCMSCs 可以通過旁分泌途徑分泌組織或細胞修復所需的各種生長因子及細胞因子，例如血管內皮生長因子[17]、腦源性神經營養因子[18]和角質形成細胞生長因子[19]。③歸巢特性：在SCI 部位表達的趨化因子的刺激下，HUCMSCs 會優先遷移到炎癥部位，其中大部分遷移至膠質瘢痕周圍，少量停滯在損傷處的頭端和尾端[20]。④免疫調節：HUCMSCs 自身細胞比較稚嫩，尚未發展出成熟的免疫系統，存在免疫排斥的現象較少。干細胞可以通過免疫反應遷延到炎癥部位，促進M2巨噬細胞的激活并且下調炎癥因子的表達發揮免疫抑制和抗炎作用，將損傷處的炎癥反應階段調整為免疫反應階段[21-22]。⑤基因轉染：HUCMSCs 可能通過轉染微RNA 來調節靶向基因，進而發揮抗炎、保護和修復受損組織的作用[23-24]。

2 HUCMSCs 治療SCI

目前在SCI 的治療中，相對于停留在生理功能層面的傳統方法，HUCMSCs 移植不僅涉及生理層面，還涉及到該病的病理生理層面。迄今為止，HUCMSCs 移植治療SCI 的機制尚未完全闡明，而最為研究者們認可的HUCMSCs 修復特性的可能機制是分泌神經營養因子、提供新生神經元、重塑脊髓功能和再髓鞘化。

2.1 提供神經營養因子

損傷的脊髓在慢性期恢復較慢的主要原因是缺乏足夠的神經營養因子和神經生長因子[25]。Chudickova 等[26]對HUCMSCs 的外泌體進行了蛋白質組學分析，結果顯示其外泌體中含有大量的肝細胞生長因子和少量的神經生長因子，如腦源性神經營養因子、腦源性神經生長因子、角質形成細胞生長因子等，這些因子保護神經并促進了受損脊髓的修復。Hu 等[27]的體內研究首次證實，HUCMSCs 可在SCI 大鼠模型中分泌大量膠質神經營養因子和神經營養因子-3，且不會產生免疫排斥反應。HUCMSCs 移植可通過旁分泌和自身分泌機制產生神經營養因子和神經生長因子等治療SCI。這些細胞因子促進血管生成、調節炎癥反應，并為軸突再生提供了合適的微環境，是軸突和神經元再生的前提。

2.2 新生神經元

目前，關于HUCMSCs 向神經細胞轉化的情況存在爭議。Yang 等[28]證實了未經處理的HUCMSCs 不能轉化為神經元。Zhao 等[29]的研究顯示，HUCMSCs 在體內至少能存活5 周，并可分化為神經元、少突膠質細胞和星型膠質細胞。Yan-Wu 等[30]的研究將HUCMSCs在體外誘導分化為與施萬細胞在形態、表型和功能上具有高度相似性的神經干細胞，并移植入SCI 大鼠模型，顯示出部分治療效果。最近，Yao 等[31]的研究報道了HUCMSCs 移植在SCI 治療中可顯著上調新生神經元標記蛋白NeuN 和β-Ⅲ微管蛋白的表達。綜上所述，HUCMSCs 可在一定的誘導分化條件下，分化為神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞，發揮和促進內源性干細胞替代和提供新的神經元的作用，進而形成新的突觸聯系。

2.3 再髓鞘化

在SCI 的病理發展過程中，損傷周圍區域殘存的軸突和白質會發生緩慢的進行性脫髓鞘改變[32]。Bao 等[33]的研究顯示，HUCMSCs 不僅可以支持周圍神經系統的軸突再生，還能促進受損中樞系統的軸突再生和髓鞘的重建。Liao 等[34]的研究結果顯示，HUCMSCs通過增加髓鞘堿性蛋白和髓磷脂酶，減少神經元、少突膠質細胞的凋亡來抑制脫髓鞘改變。最近的研究顯示，HUCMSCs 可能促進了白質區域的再髓鞘化、軸突再生或保護了有髓神經纖維的存活[35]。綜上，HUCMSCs 的潛在機制是抑制脫髓鞘改變并使脫髓鞘的軸索再髓鞘化，恢復有髓神經的信號傳導通路。

2.4 功能重塑

Yao 等[36]通過分級排列的纖維蛋白水凝膠模擬了神經組織的柔軟和定向特性，類似于神經元中繼站，為HUCMSCs 提供了生物-物理線索，指引干細胞縱向快速遷移、神經源性分化，加快軸突側枝的生長。該研究還發現，HUCMSCs 在高分子材料的刺激下，可以觸發自身和內源性神經干細胞侵襲、對齊和神經分化，在體內外均形成對齊的細胞索。這些細胞索的形成，可以引導軸突的生長并橋接神經殘端的近端和遠端，重建神經元間的突觸連接，通過間隙傳遞神經元信號并促進功能恢復。總之，HUCMSCs 結合生物材料支架技術引導軸突發芽至靶點，連接SCI 兩個斷端，形成功能性突觸，重新搭建神經信號傳導通路，這正是中樞神經系統功能重塑的方式。

3 HUCMSCs 治療SCI 的影響因素

在細胞移植過程中，影響HUCMSCs 在受損部位存活率的重要因素有移植細胞類型、途徑和移植的最佳時間窗等。盡管有大量研究評估了干細胞在受損部位的存活率，但迄今為止仍然存在爭議。

3.1 移植細胞途徑

目前，針對HUCMSCs 移植的途徑，許多文獻提出了不同觀點，主要包括局部、腰椎穿刺、靜脈途徑。雖然大量的研究顯示這3 種途徑均可改善SCI 后的功能恢復，但尚不確定何種途徑最優、最適用于臨床應用[16]。Vaquero 等[37]比較了局部途徑與靜脈途徑移植干細胞治療SCI，結果顯示局部途徑在移植效率和功能恢復方面表現較好。Li 等[38]的研究顯示，在SCI 的急性期采用股靜脈途徑移植HUCMSCs，HUCMSCs 改善了損傷區域的微環境，減少了SCI 的繼發性損傷并增加了神經營養因子的表達。但靜脈輸注具有局限性，據報道，在肺部腫瘤中有HUCMSCs 向骨細胞分化[39]，盡管并未在動物模型中發現這樣的情況，但并不能排除可能性[40]。近來，Yang 等[41]研究通過腰椎穿刺途徑向鞘內注射HUCMSCs 治療亞急性SCI，結果顯示神經元發生再生，為該方法的安全性和高效性提供了有力證據。局部途徑是通過打開椎板暴露脊髓，在局部損傷區域的頭端和尾端分別注射微量干細胞。這種方法能提高干細胞遷徒至損傷區的存活數目，但也會對脊髓造成二次損傷，破壞局部微環境，不利于干細胞的存活，導致療效降低。而腰椎穿刺途徑和靜脈途徑與局部途徑比較，有更易操作、創傷小等優點，彌補了局部途徑的不足，但也存在干細胞遷延至損傷區域存活數目較少的問題。現今哪種移植途徑更有利于干細胞在損傷區的存活和臨床應用，有待進一步的實驗驗證，這也是目前亟待解決的問題。

3.2 移植的最佳時期

關于移植的最佳時期臨床尚存爭議，不同的研究者采取的策略也有所不同。一種觀點認為應在繼發性損傷期之后移植干細胞，可避免HUCMSCs 對損傷脊髓局部的微環境產生干擾。Okano 等[42]的動物實驗研究顯示，神經干細胞移植治療的最佳時機是損傷后1～2 周。此外，Chen 等[43]的研究顯示，在SCI 的早期（1～2 周）移植HUCMSCs 沒有顯著的效果，研究者認為這可能與SCI 的繼發性損傷有關。另外一種觀點認為應在繼發性損傷期內，通過改變損傷局部的微環境而發揮修復作用。這種理論的依據是，防止脊髓神經元繼發性損傷的進展是限制組織損傷和改善SCI 預后的最有效治療策略之一[39]。Li 等[38]的研究顯示，在SCI 的急性期，采用股靜脈移植途徑移植HUCMSCs 的效果較好。而Hu 等[27]的研究顯示，在發生SCI 后的24 h通過局部途徑于頭端、尾端進行HUCMSCs 移植是成功的治療策略，但需要考慮慢性期SCI 帶來的干細胞排斥的問題。Liu 等[44]的臨床研究顯示，患者在SCI 慢性期內接受干細胞移植治療仍有一定的效果，認為移植的最佳時間不應限制在損傷后兩周內。因此，移植的最佳時間不應限制在具體范圍內，而是應根據實際情況和具體事項，采取相應的治療措施和時間窗。

4 總結與展望

本文總結了HUCMSCs 的生物特性及其治療機制，這些機制最終通過生物信號途徑促進脊髓功能修復。總而言之，目前越來越多的研究數據表明，HUCMSCs治療SCI 是一種很有前途的治療策略。HUCMSCs 治療SCI 的修復效果得到了廣泛認可。但是，該治療的分子機制尚未完全掌握，調控分化技術尚未成熟。另外，HUCMSCs 移植到動物或人體內有無免疫排斥及其是否具有成熟神經元的全部特征尚不能確定。針對HUCMSCs 治療SCI 的最佳途徑和時間點的選擇尚未形成一致的專家共識，需進一步證實。

無論如何，應用HUCMSCs 治療SCI 在神經科學中具有開創性的意義。隨著研究者們對HUCMSCs 制備、擴增和移植等方面的進一步認識與了解，掌握了HUCMSCs 的種種性質，為臨床治療提供了依據。HUCMSCs 在SCI 中有著巨大的臨床價值，探索HUCMSCs結合生物材料支架、外泌體、神經細胞、生長因子和藥物等組合策略治療SCI 是未來的研究熱點和方向。