骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植治療缺血性腦卒中的機(jī)制

余 倩綜述，李經(jīng)倫審校（．瀘州醫(yī)學(xué)院，四川瀘州 646000；．瀘州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，四川瀘州 646000）

缺血性腦卒中即腦梗死，是神經(jīng)內(nèi)科的常見病，具有較高的發(fā)病率和致殘率，在嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量的同時(shí)，增加了患者家庭及社會的負(fù)擔(dān)。缺血性腦卒中的主要發(fā)病機(jī)制是由于局部腦組織血液供應(yīng)突然減少或中斷后導(dǎo)致腦細(xì)胞缺血、缺氧，從而產(chǎn)生相應(yīng)的神經(jīng)功能缺損癥狀。目前臨床治療缺血性腦卒中的主要目的在于盡可能挽救缺血半暗帶區(qū)細(xì)胞，但均不能使缺血性腦卒中后形成的缺血區(qū)神經(jīng)細(xì)胞完全存活，而且由于受到時(shí)間窗的限制，溶栓治療也不能得以廣泛應(yīng)用。近年來，對于干細(xì)胞移植的研究為缺血性腦卒中的治療開辟了新的途徑。已有大量的動物實(shí)驗(yàn)表明，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）作為一種多潛能干細(xì)胞，能在體內(nèi)環(huán)境中被誘導(dǎo)分化為神經(jīng)細(xì)胞，發(fā)揮神經(jīng)功能修復(fù)作用［1－4］。但對于其特殊的作用機(jī)制目前還存在著較多的爭議。因此，BMSCs在缺血性腦卒中神經(jīng)功能修復(fù)方面的機(jī)制已成為目前關(guān)于BMSCs的研究熱點(diǎn)之一。本文現(xiàn)將BMSCs在神經(jīng)功能修復(fù)方面的作用機(jī)制相關(guān)研究綜述如下。

1 神經(jīng)細(xì)胞替代作用

缺血性腦卒中后神經(jīng)細(xì)胞的壞死是導(dǎo)致神經(jīng)功能缺損的重要原因。如果能用新的細(xì)胞替代已壞死的細(xì)胞是治療缺血性腦卒中最理想的狀態(tài)。Skvortsova等［5］通過靜脈注射的方式將人BMSCs移植到局灶性腦缺血大鼠模型體內(nèi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所移植的人BMSCs主要集中分布在缺血性腦卒中部位，且部分BMSCs可分化成神經(jīng)元細(xì)胞及神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，使大鼠神經(jīng)功能缺損癥狀得以改善。Shen等［6］利用雄性大鼠的BMSCs，通過靜脈移植的方式治療腦中動脈阻塞（MCAO）雌性大鼠模型，染色檢查結(jié)果顯示，移植的BMSCs主要集中分布于腦缺血區(qū)域，并且表達(dá)神經(jīng)元特異性核蛋白（NeuN）、膠質(zhì)纖維酸性蛋白（GFAP）及微管蛋白2（MAP－2）等神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞特異性標(biāo)志物，但表達(dá)比例均較低。上述動物模型體內(nèi)研究證實(shí)，移植的BMSCs在腦內(nèi)可分化為神經(jīng)細(xì)胞，但分化率較低，說明分化細(xì)胞的神經(jīng)功能替代作用可能較為有限。因此，移植的BMSCs所具有的神經(jīng)功能恢復(fù)效應(yīng)還可能與其他機(jī)制有關(guān)。

2 促進(jìn)血管再生及血腦屏障的修復(fù)

缺血性腦卒中后缺血區(qū)域的血管再生與后期神經(jīng)功能的恢復(fù)有著密切聯(lián)系。Ma等［7］發(fā)現(xiàn) MCAO大鼠模型海馬區(qū)的α微管蛋白的表達(dá)水平顯著降低，而將人BMSCs移植到MCAO大鼠模型體內(nèi)，可以顯著上調(diào)α微管蛋白在海馬區(qū)的表達(dá)水平，同時(shí)也可以上調(diào)血管生成素1和2的表達(dá)水平，從而促進(jìn)缺血區(qū)域的血管再生。也有研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)靜脈移植的BMSCs主要分布在發(fā)生梗死的區(qū)域，且發(fā)病區(qū)域的血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）及其受體2（VEGFR2）的表達(dá)水平升高，從而促進(jìn)缺血半暗帶區(qū)域血管的新生［8－9］。由此可見，移植的BMSCs可能通過提高缺血半暗帶區(qū)VEGF及VEGFR2的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)缺血半暗帶新生血管的形成，改善腦組織的局部血流，為神經(jīng)功能的內(nèi)源性修復(fù)提供微環(huán)境。Borlongan等［10－11］的研究發(fā)現(xiàn)，MCAO大鼠模型在BMSCs移植4d后，腦血流量恢復(fù)正常，移植5d后血腦屏障的重建基本完成，而且，其研究亦證實(shí)腦組織血流量和血腦屏障的修復(fù)速度可能與移植細(xì)胞的數(shù)量存在正相關(guān)性。這表明BMSCs可能通過改善腦組織血流及修復(fù)血腦屏障發(fā)揮神經(jīng)修復(fù)作用。

3 激活內(nèi)源性的修復(fù)途徑

BMCs也可通過激活內(nèi)源性的修復(fù)途徑，即通過促進(jìn)內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞增生和定向遷移而發(fā)揮神經(jīng)修復(fù)作用。在成年哺乳動物的側(cè)腦室室下區(qū)（SVZ）和海馬齒狀回顆粒下帶（SGZ）均存在神經(jīng)前體細(xì)胞。有研究發(fā)現(xiàn)，缺血性腦卒中后梗死區(qū)域形成的新的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞是由神經(jīng)前體細(xì)胞增殖、遷移而來的［12］。Thored等［13］的研究發(fā)現(xiàn)，分布于SVZ和SGZ的神經(jīng)前體細(xì)胞增殖并向梗死區(qū)域遷移的過程，受到基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1（SDF－1）及其受體CXCR4的調(diào)控。Zhu等［14］的研究發(fā)現(xiàn)，BMSCs定向遷移的過程也與趨化因子fractalkine及其受體CX3CR1有關(guān)。Bao等［15］通過靜脈注射BMSCs移植治療MCAO大鼠模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)移植治療14d后，移植治療組大鼠神經(jīng)功能明顯恢復(fù)，且移植組大鼠SVZ和SGZ的內(nèi)源性細(xì)胞顯著增生。上述研究均表明，腦卒中后內(nèi)源性的修復(fù)途徑可以被激活，內(nèi)源性的神經(jīng)前體細(xì)胞可有效增殖和遷移，而且BMSCs移植能夠促進(jìn)和提升這種內(nèi)源性修復(fù)途徑的效能。

4 促進(jìn)突觸發(fā)生和神經(jīng)連接重塑

細(xì)胞之間的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)主要是通過突觸結(jié)構(gòu)而完成。Li等［16］經(jīng)靜脈注射BMSCs移植治療腦缺血大鼠模型，發(fā)現(xiàn)BMSCs移植后，大鼠神經(jīng)功能得以改善，且移植治療組大鼠腦組織損傷邊界及腦室下區(qū)軸突生長相關(guān)蛋白43（GAP－43）的表達(dá)水平明顯升高，表明移植的BMSCs可以促進(jìn)腦內(nèi)突觸的增加，重建神經(jīng)連接，從而使神經(jīng)功能得以恢復(fù)。Shen等［6，17］通過靜脈移植BMSCs治療MCAO大鼠模型，發(fā)現(xiàn)移植治療組大鼠突觸素表達(dá)水平升高，移植的BMSCs可促進(jìn)缺血半暗帶突觸的再生，且證實(shí)內(nèi)源性組織纖維蛋白溶酶原激活劑（t－PA）可能在BMSCs促進(jìn)突觸發(fā)生中起到重要作用。Liu等［18］首先對MCAO小鼠模型行左側(cè)半球錐體束切斷術(shù)，再進(jìn)行靜脈移植BMSCs治療，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)BMSCs移植治療后，小鼠運(yùn)動功能明顯恢復(fù)，且小鼠雙側(cè)皮質(zhì)脊髓束的軸突密度均明顯增加，該研究亦證實(shí)，移植BMSCs可以誘導(dǎo)突觸的形成，使受損的神經(jīng)連接得以重塑。由此可見，促進(jìn)突出發(fā)生和神經(jīng)連接重塑可能也是BMSCs促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)的重要機(jī)制。

5 抑制炎性反應(yīng)及免疫調(diào)節(jié)作用

腦組織缺血后會誘導(dǎo)各種細(xì)胞因子的釋放，引起免疫應(yīng)答反應(yīng)，從而加速組織的損傷。包括腫瘤壞死因子－α（TNF－α）在內(nèi)的炎性細(xì)胞因子通過誘導(dǎo)細(xì)胞間黏附分子、血管細(xì)胞黏附分子及選擇蛋白的產(chǎn)生，進(jìn)而誘導(dǎo)并促進(jìn)炎性反應(yīng)的發(fā)展。另一方面，抗炎性細(xì)胞因子，如白細(xì)胞介素－10（IL－10）等則通過抑制炎性細(xì)胞因子的釋放，發(fā)揮保護(hù)損傷腦組織的作用。Liu等［19］發(fā)現(xiàn)移植的BMSCs可在上調(diào)抗炎性細(xì)胞因子IL－10表達(dá)的同時(shí)，下調(diào)炎性因子TNF－α的表達(dá)，從而抑制炎性反應(yīng)而達(dá)到改善腦缺血后神經(jīng)功能缺損癥狀的目的。Ohtaki等［20］的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)靜脈注射的BMSCs可以使炎性反應(yīng)及免疫反應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)下調(diào)大約10%。因此可以認(rèn)為，抑制腦缺血誘導(dǎo)的炎性反應(yīng)和調(diào)節(jié)免疫平衡是BMSCs移植治療缺血性腦卒中，發(fā)揮神經(jīng)功能修復(fù)作用的又一機(jī)制。

6 小 結(jié)

BMSCs移植治療缺血性腦卒中可能涉及多種機(jī)制，缺血性腦卒中的微環(huán)境促進(jìn)BMSCs的分泌作用，BMSCs進(jìn)入受損腦組織后，可能分泌一系列的細(xì)胞因子和營養(yǎng)因子，包括腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）、神經(jīng)生長因子（NGF）、血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）、胰島素樣生長因子－1（IGF－1）和基質(zhì)細(xì)胞衍生因子－1（SDF－1）等等。而上述細(xì)胞因子和營養(yǎng)因子表達(dá)水平升高，有助于激活內(nèi)源性的修復(fù)途徑，促進(jìn)突觸形成、神經(jīng)連接重塑及血管新生，減少細(xì)胞凋亡，恢復(fù)腦組織血流，修復(fù)血腦屏障，抑制炎性反應(yīng)和免疫調(diào)節(jié)等。各種機(jī)制間也存在一定的相互作用，可使缺血性腦卒中神經(jīng)功能缺損癥狀得以恢復(fù)。

近年來，大量動物模型體內(nèi)研究表明，BMSCs能改善缺血性腦卒中后神經(jīng)功能缺失癥狀，具有廣闊的應(yīng)用前景，已成為當(dāng)今生命科學(xué)的研究熱點(diǎn)。目前主要研究焦點(diǎn)在于：（1）尋求誘導(dǎo)BMSCs定向遷移及分化的方法；（2）探索BMSCs的最佳移植途徑、移植細(xì)胞數(shù)量及移植時(shí)間窗；（3）對BMSCs移植治療的療效和安全性的評價(jià)。雖然BMSCs移植治療尚未正式應(yīng)用于臨床，但有理由相信BMSCs的神經(jīng)修復(fù)及重建功能將為缺血性腦卒中的治療帶來新的曙光。

［1］ Li Y，Chen J，Chen XG，et al．Human marrow stromal cell therapy forstroke in rat：neurotrophins and functional recovery［J］．Neurology，2002，59（4）：514－523．

［2］ Chen X，Li Y，Wang L，et al．Ischemic rat brain extracts induce human marrow stromal cell growth factor production［J］．Neuropathology，2002，22（4）：275－279．

［3］ Lee J，Kuroda S，Shichinohe H，et al．Migration and differentiation of nuclear fluorescence－labeled bone marrow stromal cells aftertransplantation into cerebral infarct and spinal cord injury in mice［J］．Neuropathology，2003，23（3）：169－180．

［4］ Shen LH，Li Y，Chen J，et al．Intracarotid transplantation of bone marrow stromal cells increases axon－myelin remodeling after stroke［J］．Neuroscience，2006，137（2）：393－399．

［5］ Skvortsova VI，Gubskiy LV，Tairova RT，et al．Use of bone marrow mesenchymal（stromal）stem cells in experimental ischemic stroke in rats［J］．Bull Exp Biol Med，2008，145（1）：122－128．

［6］ Shen LH，Li Y，Chen J，et al．Therapeutic benefit of bone marrow stromal cells administration 1month after stroke［J］．J Cereb Blood Flow Metab，2007，27（1）：6－13．

［7］ Ma XL，Liu KD，Li FC，et al．Human mesenchymal stem cells increases expression ofα－tubulin and angiopoietin 1 and 2in focal cerebral ischemia and reperfusion［J］．Curr Neurovasc Res，2013，10（2）：103－111．

［8］ Chen J，Zhang ZG，Li Y，et al．Intravenous administration of human bone marrow stromal cells induces angiogenesis in the ischemic boundary zone after stroke in rats［J］．Circ Res，2003，92（6）：692－699．

［9］ Deng YB，Ye WB，Hu ZZ，et al．Intravenously administered BMSCs reduce neuronal apoptosis and promote neuronal proliferation through the release of VEGF after stroke in rats［J］．Neurol Res，2010，32（2）：148－156．

［10］Borlongan CV，Lind JG，Dillon－Carter O，et al．Intracerebral xenografts of mouse bone marrow cells in adult rats facilitate restoration of cerebral blood flow and bloodbrain barrier［J］．Brain Res，2004，1009（1／2）：26－33．

［11］Borlongan CV，Lind JG，Dillon－Carter O，et al．Bone marrow grafts restore cerebral blood flow and blood brain barrier in stroke rats［J］．Brain Res，2004，1010（1／2）：108－116．

［12］Minger SL，Ekonomou A，Carta EM，et al．Endogenous neurogenesis in the human brain following cerebral infarction［J］．Regen Med，2007，2（1）：69－74．

［13］Thored P，Arvidsson A，Cacci E，et al．Persistent production of neurons from adult brain stem cells during recovery after stroke［J］．Stem Cells，2006，24（3）：739－747．

［14］Zhu J，Zhou Z，Liu Y，et al．Fractalkine and CX3CR1are involved in the migration of intravenously grafted human bone marrow stromal cells toward ischemic brain lesion in rats［J］．Brain Res，2009，1287：173－183．

［15］Bao X，Wei J，F(xiàn)eng M，et al．Transplantation of human bone marrow－derived mesenchymal stem cells promotes behavioral recovery and endogenous neurogenesis after cerebral ischemia in rats［J］．Brain Res，2011，1367：103－113．

［16］Li Y，Chen J，Zhang CL，et al．Gliosis and brain remodeling after treatment of stroke in rats with marrow stromal cells［J］．Glia，2005，49（3）：407－417．

［17］Shen LH，Xin H，Li Y，et al．Endogenous tissue plasminogen activator mediates bone marrow stromal cell－induced neurite remodeling after stroke in mice［J］．Stroke，2011，42（2）：459－464．

［18］Liu Z，Li Y，Zhang RL，et al．Bone marrow stroma l cells promote skilled motor recovery and enhance contra lesional axonal connections after ischemic stroke in adult mice［J］．Stroke，2011，42（3）：740－744．

［19］Liu N，Chen R，Du H，et al．Expression of IL－10and TNF－alpha in rats with cerebral infarction after transplantation with mesenchymal stem cells［J］．Cell Mol Immunol，2009，6（3）：207－213．

［20］Ohtaki H，Ylostalo JH，F(xiàn)oraker JE，et al．Stem／progenitor cells from bone marrow decrease neuronal death in global ischemia by modulation of inflammatory／immune responses［J］．Proc Acad Sci USA，2008，105（38）：14638－14643．