間充質干細胞在神經病理性疼痛中的作用及機制研究

劉太聰, 史永強, 張海鴻

(蘭州大學第二醫院 骨科, 甘肅 蘭州, 730030)

疼痛是身體對有害刺激的不愉快反應，如外部傷害和內部疾病，其對于身體規避風險至關重要。慢性疼痛被定義為愈合后持續存在的疼痛，或無組織損傷的情況下持續存在的疼痛，且通常持續時間超過3個月[1]。成年人慢性疼痛的發病率為11%～19%, 其中神經病理性疼痛(NP)占慢性疼痛的20%～25%[2]。NP病因復雜[3], 治療方法多種多樣，目前主要包括藥物治療、手術治療等方法[4-5]。盡管NP的治療已取得重要進展，但仍缺乏安全有效的針對性治療方案。近年來，干細胞療法逐漸得到研究者[6]的重視, 但其在NP中的分子機制非常復雜，因此，全面深入地了解NP的發病機制和間充質干細胞(MSC)的分子機制非常重要。

1 NP的發病機制

機體受到傷害后，局部穩態發生變化，外周傷害感覺神經元檢測到有害刺激并被激活，這些傷害感受器的胞體位于背根神經節或三叉神經節，將中央投射纖維延伸至脊髓背角和三叉神經核，在那里通過各種神經遞質和神經肽將傷害信息傳遞給傷害性投射神經元，這種傳遞是通過興奮性和抑制性中間神經元組成的復雜神經回路直接或間接發生的[7]。然后，這些傷害性投射神經元將信息投射到腦干和參與處理痛覺的大腦高級區域[8]。長期以來，人們認為NP發生在神經細胞之間，然而越來越多的證據[7, 9-14]表明神經炎癥和免疫系統對NP的發生與維持具有重要作用。

神經炎癥由外周和中樞神經系統的膠質細胞(包括星形膠質細胞和小膠質細胞等)及免疫細胞(包括肥大細胞、巨噬細胞、中性粒細胞)的激活引起[15-17]。小膠質細胞是維持中樞神經系統穩態及功能的免疫細胞[18], 其中脊髓背角中激活的小膠質細胞在神經損傷、癌癥、糖尿病等引起的NP中起關鍵作用?；罨男∧z質細胞可釋放炎癥因子[如腫瘤壞死因子、白細胞介素-1β(IL-1β)和趨化因子]、腦源性神經營養因子(BDNF)及神經遞質等，直接和間接地影響神經元功能導致痛覺過敏和異常疼痛[8, 19-21]。

2 MSC概述

干細胞包括胚胎干細胞和成體干細胞，其中胚胎干細胞是多能干細胞，可分化為胚胎結構，而成體干細胞是具有自我更新能力的多能干細胞，可分化為不同的細胞類型[22]。1970年, FRIEDENSTEIN A J等[23]在人類骨髓中發現了一種罕見的基質細胞，即MSC, 其廣泛存在于骨髓以外的組織中，包括脂肪組織、肺組織、滑膜、子宮內膜和外周血。目前，臨床研究[24-25]中最常用的MSC主要來源于骨髓、脂肪組織和臍帶血。MSC表現出很高的增殖潛力、遺傳和表型穩定性，可被輕松收集并應用于臨床。此外, MSC還具有2個優勢特征，一是可遷移到組織損傷部位并具有強大的免疫抑制特性，二是可用于自體和異體移植[1, 26]。

3 MSC對NP的治療作用

相關研究[27]建立小鼠坐骨神經結扎NP模型，并將MSC移植到小鼠側腦室，發現MSC可減少小鼠疼痛行為，如機械性異常疼痛和熱痛覺過敏等，并可減少神經系統中小膠質細胞及星形膠質細胞的表達。另有報道[28]稱，在大鼠同側神經節內注射骨髓MSC可顯著減輕單側坐骨神經結扎模型的機械性疼痛。相關研究[29]報道，鞘內注射大鼠骨髓分離出的MSC, 可減輕大鼠坐骨神經慢性壓迫損傷(CCI)MSC模型引起的機械性異常疼痛和熱痛覺過敏，并減少IL-1β、白細胞介素-6(IL-6)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)的產生。近年來, MSC已被越來越多地應用于臨床。一項雙盲臨床試驗[30]結果顯示，向膝關節骨關節炎患者的關節內注射MSC可顯著減輕其疼痛癥狀。

4 MSC治療NP的潛在機制

4.1 MSC的遷移

移植的MSC需先遷移到損傷部位再發揮其對NP的鎮痛作用。周圍神經損傷后，趨化因子[CXC型趨化因子配體12(CXCL12)、CXC型趨化因子配體13(CXCL13)、單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)]被釋放，可誘導移植的MSC表達相應的趨化因子受體，如CXC趨化因子受體4(CXCR4)、CC趨化因子受體2(CCR2)和CXC趨化因子受體5(CXCR5)[31]。研究[32]表明, CXCL12/CXCR4軸介導鞘內移植的骨髓MSC遷移至腰椎的背根神經節。另一項研究[31]表明，骨髓MSC可通過CXCL13/CXCR5軸定向遷移至損傷同側脊髓背角表面。未來的研究還應繼續深入了解MSC的遷移機制，這可能是提高MSC治療效率的新靶點。

4.2 抗炎及免疫調節

MSC表現出強烈的免疫調節特性并可促進傷口愈合, MSC進入炎癥環境后分泌的腫瘤壞死因子刺激基因6(TSG-6)、白細胞介素-10(IL-10)等已被證明具有強烈的抗炎作用[33-34]。有研究[29]將大鼠骨髓中分離出的MSC注射到脊髓腦脊液中，減輕了CCI模型引起的機械性異常疼痛和熱痛覺過敏以及脊髓組織中的神經炎癥，當TSG-6表達沉默時，骨髓MSC的鎮痛作用及抗炎特性減弱。此外，MSC可將巨噬細胞/小膠質細胞促炎(M1)表型轉變為抗炎(M2)表型，其中M1表型可產生多種炎癥介子，包括TNF-α、IL-1β等，并可誘導一氧化氮合酶(iNOS)上調，而M2表型可分泌抗炎細胞因子轉化生長因子-β(TGF-β)、IL-10[35-37]。膠質細胞源性神經營養因子(GDNF)在神經系統疾病中發揮保護作用，而MSC可產生GDNF, 故在NP模型大鼠中鞘內注射骨髓MSC可通過分泌GDNF抑制核因子κB(NF-κB)促進磷脂酰肌醇3激酶/絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶(PI3K/AKT)信號通路調節小膠質細胞M1表型轉變為M2表型[38]。

4.3 保護神經元

MSC還可分泌神經營養生長因子，包括GDNF、血管內皮生長因子(VEGF)、BDNF和成纖維細胞生長因子-1(FGF-1), 從而改善NP神經元的存活率，維持內環境穩態[6, 39-40]。激活轉錄因子3(ATF3)是一種使用廣泛的背根神經節損傷標記物[41]。研究[32]表明, CCI模型可顯著誘導背根神經節中AFT3的表達，鞘內注射骨髓MSC后，背根神經節中AFT3降低，表明骨髓MSC可保護背根神經節免受損傷。有研究[42]將FGF-1基因轉染的脂肪MSC全身靜脈注射于CCI模型大鼠，與未轉染的脂肪來源MSC相比，可顯著減少脊髓細胞凋亡。由此提示, MSC分泌的FGF-1參與NP神經元的保護作用，但MSC對神經元細胞深層次的分子作用機制仍需進一步探索。

4.4 降低中樞敏化

神經損傷導致神經元一系列級聯反應，引起中樞敏化，這是NP發生的關鍵步驟。神經損傷后，脊髓背角興奮性氨基酸(谷氨酸)遞質被大量釋放，興奮性N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDAR)持續激活，從而促進中樞敏化[8-9]。研究[43]表明，骨髓MSC可以抑制NMDAR的表達，并阻止其被谷氨酸激活，進而弱化和逆轉中樞敏化，減輕機械性痛覺過敏。研究[44]證明，轉化生長因子-β1(TGF-β1)以濃度依賴方式減輕谷氨酸誘導的大鼠皮質神經元興奮性神經毒性。MSC可分泌TGF-β1, 向CCI誘導的小鼠NP模型中鞘內注射MSC, 可減輕小鼠的痛覺過敏，使用TGF-β1中和抗體后，則可逆轉MSC的抗痛覺過敏作用[32]。以上研究表明, MSC可通過釋放TGF-β1抵抗中樞敏化來抑制神經元的興奮性，從而發揮鎮痛作用。

4.5 抑制膠質細胞活化

神經系統中的膠質細胞對NP的發生和維持起著非常關鍵的作用。神經損傷后，膠質細胞活化，分泌炎性細胞因子，導致疼痛過敏。在大鼠NP模型中，神經膠質纖維酸性蛋白(GFAP)和鈣離子結合銜接分子1(IBA-1)蛋白顯著上調[10]。然而有研究[29, 42]在脂肪MSC和骨髓MSC移植后發現, GFAP和IBA-1表達大大降低。同樣，在椎間盤突出癥大鼠模型中，骨髓MSC移植后脊髓背角中的小膠質細胞激活受到抑制[36]。研究[9]表明，活化的膠質細胞中p38絲裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)信號通路的激活參與NP。骨髓MSC移植可抑制大鼠脊髓損傷后小膠質細胞中P38MAPK信號的激活，改善其運動功能[45]。然而, MSC如何影響小膠質細胞活化目前尚未完全闡明，包括MSC靶向哪些小膠質細胞受體。相關研究[32]證實，骨髓MSC釋放的TGF-β1和IL-10可能與小膠質細胞的活化抑制有關。嘌呤能P2X4受體(P2嘌呤能受體亞型)在NP后小膠質細胞表面顯著表達，并觸發小膠質細胞的激活[8]。向CCI大鼠鞘內注射骨髓MSC可抑制脊髓小膠質細胞中P2X4受體的表達，從而抑制小膠質細胞活化，減輕大鼠NP行為[46]。MSC和神經膠質細胞在疼痛方面的相互作用仍需進一步研究。

4.6 抗氧化作用

氧化應激是神經元細胞凋亡、代謝紊亂、生物功能衰竭的關鍵因素，可引發持續的感覺神經病變[47]。細胞抗氧化防御的激活是維持氧化還原穩態的基礎，活性物質的大量產生是由細胞抗氧化防御系統激活控制的，該系統包括一系列的抗氧化酶，轉錄因子NF-E2相關因子2(Nrf-2)是調節人體抗氧化防御的關鍵轉錄因子，其通過激活抗氧化酶的表達發揮作用，已被證明是維持健康細胞氧化還原反應的調節劑, Nrf-2活性下降可引起氧化應激增強，進一步導致神經病變的發展[48-49]。將骨髓MSC移植到奧沙利鉑誘導的大鼠NP模型中，可增加脊髓Nrf-2的表達，證明由Nrf-2介導的骨髓MSC的抗氧化作用與其在感覺神經病變中的鎮痛作用存在相關性[50]。

5 總結與展望

MSC療法作為NP的新療法，具有治療周期短、起效迅速、療效持久的優勢，已引起廣泛關注。盡管已有越來越多的實驗證明MSC在NP中的治療潛力，但仍有一些問題亟待解決。目前，關于MSC對NP的最佳治療方案尚未達成共識，包括最佳移植劑量、移植后存活率、MSC來源、同種異體移植的免疫排斥反應、給藥途徑以及給藥時間等方面。來源似乎會影響MSC的存活率，有研究[51]分別將骨髓和脂肪來源的MSC以相同數量移植到大鼠脊髓中，發現脂肪來源MSC存活率高于骨髓來源MSC。通過FGF-1[42]、GDNF[52]基因轉染骨髓MSC, 可使骨髓MSC的鎮痛效應增強，這種將基因工程結合到基于骨髓MSC的細胞治療中的方法被證明比單獨骨髓MSC移植更有效。骨髓MSC分泌的抗炎因子、免疫調節因子、神經營養因子的基礎水平可通過針對特定疾病機制的基因操作來提高。另外，采用MSC與藥物聯合治療NP可獲得更顯著的鎮痛效果，例如脂肪源性MSC聯合普瑞巴林治療大鼠神經性疼痛的效果優于單獨治療[53]。目前，使用MSC治療NP仍充滿希望與挑戰，充分理解MSC在NP中的作用機制，或可使MSC療法成為NP安全有效的治療方法。