自體骨髓干細(xì)胞動(dòng)員治療腦梗死的研究進(jìn)展*

肖廣正，孔祥玉，趙淑敏

（承德醫(yī)學(xué)院，河北承德 067000）

綜述講座

自體骨髓干細(xì)胞動(dòng)員治療腦梗死的研究進(jìn)展*

肖廣正，孔祥玉，趙淑敏△

（承德醫(yī)學(xué)院，河北承德 067000）

骨髓干細(xì)胞；動(dòng)員；粒細(xì)胞集落刺激因子；腦梗死

成體干細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化現(xiàn)象近年來不斷引起眾多學(xué)者的注意，許多實(shí)驗(yàn)證實(shí)了成體干細(xì)胞在體內(nèi)可以改變其已經(jīng)設(shè)定的方向而向另一方向轉(zhuǎn)化。越來越多的證據(jù)表明，胚胎腦和成年腦內(nèi)均存在具有自我更新和多種分化潛能的神經(jīng)干細(xì)胞[1]。腦梗死雖然可誘導(dǎo)內(nèi)源性干細(xì)胞增殖[2]，但由此而誘導(dǎo)的自身修復(fù)能力非常有限。另外，神經(jīng)干細(xì)胞移植雖然為缺血性腦損傷的治療帶來了生機(jī)，但倫理、來源、移植損傷和排斥反應(yīng)等因素也限制了其臨床應(yīng)用。

骨髓干細(xì)胞動(dòng)員是新興的細(xì)胞移植方法，利用細(xì)胞因子使主要位于骨髓中的干細(xì)胞進(jìn)入外周血，通過血液循環(huán)到達(dá)損傷組織，以達(dá)到細(xì)胞移植的目的，具有操作簡便、無創(chuàng)傷等優(yōu)點(diǎn)。近年來，該方法己被推廣至急性心肌梗死[3]和腦梗死[4]的治療，以促進(jìn)心肌細(xì)胞或神經(jīng)細(xì)胞的再生。

1 骨髓干細(xì)胞

骨髓干細(xì)胞(bone marrow stem cell，BMSC)是一類具有自我更新和多向分化潛能的原始骨髓細(xì)胞，至少含有三種干細(xì)胞，即造血干細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞和內(nèi)皮祖細(xì)胞等。

1.1 造血干細(xì)胞(hematopoietic stem cell，HSC) 最早應(yīng)用于臨床，通常用于治療造血系統(tǒng)疾病。CD34為其公認(rèn)的細(xì)胞表面標(biāo)記，可以以此對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和定位。最近的研究表明，HSC除向紅系、粒系(分中性、嗜酸性和嗜堿性三類)、巨核細(xì)胞系、淋巴細(xì)胞系等多種血細(xì)胞方向分化外，還可向肌肉細(xì)胞、肝細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等方向分化。

1.2 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cell，MSC)具有細(xì)胞分化能力，來源于骨髓，主要起支持作用，因而又被命名為骨髓基質(zhì)細(xì)胞，但目前并沒有找到MSC的特異性標(biāo)志分子。新近的研究發(fā)現(xiàn)，MSC除作為細(xì)胞外基質(zhì)起支持和調(diào)節(jié)HSC自我更新和分化的作用外，本身也具有多向分化潛能，如在一定誘導(dǎo)條件下可分化為成骨細(xì)胞、成軟骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞等。

1.3 內(nèi)皮祖細(xì)胞(endothelial p recursor cell，EPC) 是血管內(nèi)皮細(xì)胞的前體細(xì)胞，能夠特異性地歸巢于血管新生組織，并分化為血管內(nèi)皮細(xì)胞，EPC也具有橫向分化為其它細(xì)胞的能力。實(shí)驗(yàn)證實(shí) ，EPC在特定條件下可分化為血管平滑肌細(xì)胞，可替代凋亡或壞死的內(nèi)皮細(xì)胞，從而保留內(nèi)皮功能，修復(fù)受損內(nèi)皮層，參與重癥缺血區(qū)血管的形成。EPC和HSC來源于共同的成血管細(xì)胞，表達(dá)共同的細(xì)胞表面抗原，如Flk21/KDR、Tie22和CD34等。

2 BMSC動(dòng)員

2.1 動(dòng)員 骨髓干細(xì)胞在機(jī)體內(nèi)的定向遷移分為兩種，我們把BMSC向機(jī)體的炎癥區(qū)、缺血區(qū)等損傷組織定向遷移的過程稱為“歸巢”，“動(dòng)員”則是將BMSC從骨髓腔中釋放到外周循環(huán)中。

2.2 主要?jiǎng)訂T劑 目前所使用的動(dòng)員劑主要有粒細(xì)胞集落刺激因子(granulocyte-colony stimulating factor,G-CSF)、粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子(granulo-cyte-macrophage-colonystimulating factor,GM-CSF)、白 細(xì) 胞 介 素(interleukin,IL) -27、IL-3、IL-12、干細(xì)胞因子(stem cell factor,SCF)、血管內(nèi)皮生長因子(vascularendothelial growth factor,VEGF)、基質(zhì)細(xì)胞衍生因子(stromalcell-derived factor-1,SDF-1)和化療藥物，如環(huán)磷酰胺(cyclphosphamide,Cy)等，以G-CSF、GM-CSF應(yīng)用最為廣泛。G-CSF、GM-CSF在動(dòng)員造血干細(xì)胞的同時(shí)，對(duì)EPC和骨髓間充質(zhì)細(xì)胞也有動(dòng)員作用[5]。

3 G-CSF及其受體

3.1 G-CSF及其受體結(jié)構(gòu)與分布 G-CSF是一種由多肽鏈組成的細(xì)胞生長因子，由174個(gè)氨基酸殘基組成，分子量為19.6×103，其基因定位于17號(hào)染色體q21-22，天然存在的G-CSF由四個(gè)單環(huán)通過氨基酸環(huán)相連。正常情況下，人類血漿中G-CSF的濃度很低。G-CSF受體是由813個(gè)氨基酸殘基組成的具有典型Ⅰ型細(xì)胞因子受體家族結(jié)構(gòu)的糖蛋白。G-CSF受體由位于1號(hào)染色體p35-p34.1的單個(gè)基因編碼，其結(jié)構(gòu)由胞外區(qū)、跨膜區(qū)和胞質(zhì)區(qū)組成，胞外區(qū)包括端免疫球蛋白區(qū)和3個(gè)纖維連接蛋白Ⅲ重復(fù)區(qū)。G-CSF受體分布于HSC和中性粒細(xì)胞及其前體細(xì)胞。研究證實(shí)，G-CSF具有較強(qiáng)的動(dòng)員BMSC的作用。

3.2 G-CSF動(dòng)員骨髓干細(xì)胞的機(jī)制

3.2.1 基 質(zhì) 細(xì) 胞 衍 生 因 子(SDF-1）及 其 受 體CXCR4：SDF-1屬于趨化因子CXC亞家族，名稱為CXCL12，不同種群間保守性極強(qiáng)，人源 SDF-1基因定位在10號(hào)染色體長臂，主要在骨髓基質(zhì)細(xì)胞表達(dá)，也在骨髓內(nèi)皮細(xì)胞及CD34+、CD38+造血祖細(xì)胞中連續(xù)表達(dá)。SDF-1受體CXCR4是7次跨膜的G蛋白耦聯(lián)受體，在白細(xì)胞、CD34+造血干細(xì)胞及CD34+造血祖細(xì)胞表面都有廣泛表達(dá)[6]。研究發(fā)現(xiàn)，SDF-1缺陷的小鼠和CXCR4缺陷的小鼠出現(xiàn)相同的造血功能障礙、心臟和小腦發(fā)育異常，因此認(rèn)為CXCR4是SDF-1的唯一受體，SDF-1是CXCR4的唯一配體。SDF-1通過一組堿性氨基酸結(jié)合到骨髓基質(zhì)細(xì)胞膜上的硫酸乙酰肝素上，暴露其氨基末端信號(hào)區(qū)，以便與其受體CXCR4相互作用，從而固定在細(xì)胞表面，發(fā)揮其生物學(xué)活性。

3.2.2 SDF-1/CXCR4相互作用對(duì)HSC定植的影響：在定植過程中，HSC沿骨髓血管壁滾動(dòng)并錨定，存在于內(nèi)皮細(xì)胞表面的趨化因子激活HS表面的整合素，促使其與內(nèi)皮細(xì)胞表面的免疫球蛋白樣受體結(jié)合，發(fā)生跨內(nèi)皮細(xì)胞的移行，最后定居在骨髓腔微環(huán)境中。SDF-1/CXCR4之間的相互作用和信號(hào)傳遞，是調(diào)節(jié)體內(nèi)穩(wěn)態(tài)和損傷時(shí)HSC的動(dòng)員、歸巢和定植的主軸。

動(dòng)員的CD34+BMSC表面表達(dá)受體CXCR4，骨髓基質(zhì)細(xì)胞表面表達(dá)的SDF-1能特異性地對(duì)CXCR4產(chǎn)生趨化作用。表面表達(dá)CXCR4的HSC沿著SDF-1的濃度梯度遷移，實(shí)現(xiàn)定植過程。細(xì)胞因子如G-CSF、SCF和IL-6則能在24-48h內(nèi)上調(diào)CXCR4在CD34+細(xì)胞上的表達(dá)，增加SDF-1介導(dǎo)的遷移、歸巢和增殖的效率。

G-CSF主要?jiǎng)訂THSC入血，但由于HSC沒有G-CSF受體，因此，G-CSF動(dòng)員BMSC的具體機(jī)制目前尚不清楚[7]。這提示其對(duì)骨髓的動(dòng)員作用可能存在其它的機(jī)制，如G-CSF能促進(jìn)SDF-1下調(diào)及其受體CXCR4的表達(dá)上調(diào)；G-CSF能促進(jìn)HSC的動(dòng)員遷移，這一作用可通過抗CXCR4的抗體所阻斷。說明G-CSF動(dòng)員BMSC可能是通過SDF-l/CXCR4來實(shí)現(xiàn)[8]。

4 BMSC動(dòng)員治療腦梗死的機(jī)制

4.1 動(dòng)員的BMSC穿過血腦屏障 當(dāng)腦組織缺血梗死時(shí)，血腦屏障已被破壞，G-CSF可動(dòng)員骨髓干細(xì)胞到外周血。循環(huán)中的干細(xì)胞可以透過血腦屏障，進(jìn)入腦實(shí)質(zhì)，并遷移至受損腦組織，釋放某種營養(yǎng)因子，甚至分化為神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，從而增加神經(jīng)細(xì)胞數(shù)量，增強(qiáng)其代償修復(fù)的能力[9]。

4.2 歸巢的BMSC治療腦梗死的具體機(jī)制 骨髓干細(xì)胞動(dòng)員治療缺血損傷的構(gòu)想，是基于人們對(duì) BMSC可塑性的認(rèn)識(shí)：在生理或病理情況下，BMSC可被征募到外周循環(huán)中，參與遠(yuǎn)處多種組織的修復(fù)和再生，其可塑性主要依賴于所處的微環(huán)境。這種內(nèi)源性動(dòng)員作用較弱，因此，可以應(yīng)用動(dòng)員劑將BMSC驅(qū)趕至外周血，使外周血干細(xì)胞達(dá)到治療數(shù)量，并歸巢于損傷組織，在特定的微環(huán)境作用下分化為受損組織細(xì)胞，以達(dá)到修復(fù)缺血損傷的目的。目前，骨髓干細(xì)胞動(dòng)員治療腦梗死作用的具體機(jī)制存在較多爭(zhēng)議，其可能機(jī)制是： ①分化為神經(jīng)細(xì)胞：BMSC分化為神經(jīng)細(xì)胞，替代/修復(fù)損傷的細(xì)胞，重建神經(jīng)環(huán)路。研究表明，動(dòng)員大鼠自體HSC，促進(jìn)其向腦梗死區(qū)遷移，可以分化為神經(jīng)元前體細(xì)胞[10]。②重建血循環(huán)： BMSC中含有EPC，缺血性損傷及干細(xì)胞動(dòng)員劑能動(dòng)員EPC到外周血液中，并歸巢到缺血組織，分化成內(nèi)皮細(xì)胞，形成新血管。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，BMSC參與了缺血性腦損傷區(qū)的新血管形成[11]。③分泌細(xì)胞活性因子：動(dòng)員出來的BMSC與機(jī)體相互作用而分泌一些細(xì)胞因子，來促進(jìn)神經(jīng)功能的恢復(fù)。BMSC能夠不斷分泌腦衍化神經(jīng)營養(yǎng)因子、神經(jīng)生長因子及轉(zhuǎn)化生長因子β等神經(jīng)營養(yǎng)因子[12]，對(duì)缺血后的腦組織起到神經(jīng)保護(hù)及修復(fù)作用。④抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡：動(dòng)員的HSC對(duì)腦缺血-再灌注損傷的保護(hù)作用，其機(jī)制可能是通過下調(diào)C-FOSmRNA的表達(dá)而降低神經(jīng)細(xì)胞凋亡[13]。BMSC通過激發(fā)受損神經(jīng)元內(nèi)源性存活信號(hào)途徑，抑制神經(jīng)細(xì)胞的凋亡，而且這些受到刺激的神經(jīng)細(xì)胞與BMSC的相互作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了其神經(jīng)保護(hù)作用[14]。

5 前景及展望

利用G-CSF在早期即可將BMSC征募到外周血循環(huán)中，并在缺血梗死區(qū)所釋放的趨化因子的作用下，遷移到受損腦組織，在特定微環(huán)境的誘導(dǎo)作用下分化為神經(jīng)細(xì)胞、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞，從而參與腦組織的再生，改善受損腦組織的功能[15，16]。采用G-CSF動(dòng)員BMSC與骨髓穿刺獲得干細(xì)胞相比，不存在無菌條件要求高、干細(xì)胞獲取量有限、易混入外周血等缺點(diǎn)，因此，其臨床應(yīng)用不受限制[17]。但是采用G-CSF動(dòng)員BMSC仍然存在一些問題，如尚未明確誘導(dǎo)劑的最小有效劑量、最大安全有效劑量及動(dòng)員的最佳時(shí)機(jī)；遠(yuǎn)期療效值得關(guān)注，現(xiàn)在還沒有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)其長期應(yīng)用安全性的觀察報(bào)告；腦功能改善程度有待進(jìn)一步研究；是否會(huì)導(dǎo)致其它部位組織內(nèi)血管增生，是否會(huì)促進(jìn)潛在腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移等。盡管如此，我們已經(jīng)從大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及少數(shù)臨床研究中看到了以G-CSF為代表的動(dòng)員劑在腦血管疾病中的廣闊應(yīng)用前景[18-20]。

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R743

A

1004-6879(2011）02-0179-03

2010-11-24）

* 河北省教育廳資助項(xiàng)目(2006303）△ 通訊作者