骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究進(jìn)展

王蘇平，儲(chǔ)成艷綜述，李 深審校

細(xì)胞療法正處于蓬勃發(fā)展的階段，已經(jīng)成功治愈一些疾病。然而，對(duì)于類(lèi)似大腦、脊髓這樣復(fù)雜的器官組織，細(xì)胞療法仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。神經(jīng)細(xì)胞療法指的是替代丟失或者損傷的神經(jīng)元及其功能，主要通過(guò)移植的細(xì)胞定向分化為指定的表型并且整合到組織中或者直接或間接分泌生長(zhǎng)因子和神經(jīng)遞質(zhì)促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)。這種方法仍面臨著很多問(wèn)題包括移植后細(xì)胞的存活、細(xì)胞命運(yùn)(比如避免畸胎瘤的形成)、維持指定的細(xì)胞分化表型等問(wèn)題。其中，細(xì)胞存活是最具挑戰(zhàn)的技術(shù)難題之一，例如在帕金森病(Parkinson’s disease，PD)模型中，只有很小比例的移植細(xì)胞(10%～20%)存活時(shí)間達(dá)到2 w［1］。對(duì)于這些問(wèn)題的解決，尋找可替代的細(xì)胞和與組織工程的聯(lián)合應(yīng)用顯得格外重要。

1 細(xì)胞療法中骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞具有突出的優(yōu)勢(shì)

有研究曾試圖使用胚胎干細(xì)胞(Embryonic stem cell，ES)、誘導(dǎo)性多功能干細(xì)胞(Induced pluripotent stem cells，iPS)、神經(jīng)干細(xì)胞(Neural stem cells，NSCs)移植來(lái)阻止神經(jīng)元的丟失或者替代它們改善神經(jīng)功能。但是，這些細(xì)胞面臨著醫(yī)學(xué)倫理學(xué)、細(xì)胞來(lái)源有限和移植排斥等一系列問(wèn)題。成體干細(xì)胞是成體細(xì)胞的一種類(lèi)型，具有自我復(fù)制、多向分化潛能，可以克服免疫排斥和倫理學(xué)相關(guān)問(wèn)題及具有從體內(nèi)分離相對(duì)簡(jiǎn)單和更易整合到腦組織等特點(diǎn)［2］。不僅如此，成體細(xì)胞與ES、iPS 相比不易形成腫瘤或者畸胎瘤，成為近期細(xì)胞療法研究的熱點(diǎn)細(xì)胞。其中，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(Bone mesenchymal stem cells，BMSCs)是一類(lèi)存在于骨髓網(wǎng)狀間質(zhì)內(nèi)的非造血干細(xì)胞，可以橫向分化為神經(jīng)細(xì)胞。更加重要的是，它們還可以通過(guò)促進(jìn)神經(jīng)新生、免疫調(diào)節(jié)、抑制細(xì)胞凋亡等途徑來(lái)保護(hù)和修復(fù)神經(jīng)組織［1，3］?？傊珺MSCs 移植到中樞神經(jīng)系統(tǒng)中是可行的，對(duì)人類(lèi)也是安全的［4～6］。BMSCs 極有可能成為治療人類(lèi)中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的細(xì)胞。

2 BMSCs 用于治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究進(jìn)展

2.1 BMSCs 與缺血性腦卒中 在缺血性腦卒中動(dòng)物模型中，BMSCs 可以提高神經(jīng)新生、保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞和減小腦梗死面積等方式改善卒中后運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知功能。BMSCs 對(duì)神經(jīng)功能的改善作用很可能是通過(guò)直接或間接促進(jìn)生長(zhǎng)因子和其它旁分泌因子的分泌實(shí)現(xiàn)，而移植的BMSCs 分化為神經(jīng)細(xì)胞并不是卒中后功能恢復(fù)的主要機(jī)制，因?yàn)樵谶@些研究中移植細(xì)胞的存活率很低，分化的細(xì)胞數(shù)目則更少。最近，McGuckin 等［7］利用哇巴因誘導(dǎo)的大鼠腦缺血模型揭示BMSCs 可以通過(guò)降低小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞活性發(fā)揮抗炎作用，同時(shí)參與非經(jīng)典JAK-STAT 信號(hào)通路介導(dǎo)的免疫調(diào)節(jié)作用。研究人員利用大鼠腦梗死模型，比較BMSCs 經(jīng)頸內(nèi)靜脈輸注、頸動(dòng)脈注射和腦室移植的效應(yīng)，結(jié)果表明經(jīng)腦室移植途徑治療的大鼠梗死灶面積最小，損傷部位有更多的移植細(xì)胞聚集［8］。

BMSCs 治療缺血性腦卒中的臨床試驗(yàn)也在陸續(xù)開(kāi)展。Bang 等［4］給5 例重度缺血性腦卒中的患者靜脈輸入自體BMSCs，發(fā)現(xiàn)接受BMSCs 移植患者的神經(jīng)功能明顯恢復(fù)。并在5 y 的隨訪中，血液、細(xì)胞、影像學(xué)檢查結(jié)果均未見(jiàn)明顯異常，提示靜脈注射BMSCs 是一種簡(jiǎn)易、安全的療法。Lee等［5］隨機(jī)將85 例重度大腦中動(dòng)脈梗死的患者分成兩組，實(shí)驗(yàn)組經(jīng)靜脈輸注體外擴(kuò)增的自體BMSCs，在5 y 的研究周期里共有16 例實(shí)驗(yàn)組和36 例對(duì)照組患者完整地參與了此項(xiàng)研究，結(jié)果表明BMSCs 治療沒(méi)有任何不良反應(yīng)，改良Rankin量表評(píng)分顯示實(shí)驗(yàn)組患者功能恢復(fù)較對(duì)照組更佳，試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)移植BMSCs 患者的功能恢復(fù)與血清中基質(zhì)細(xì)胞源性細(xì)胞因子(Stromal-derived factor 1，SDF1)水平和側(cè)腦室旁區(qū)的參與有關(guān)。最近，Honmou 等［6］再次為BMSCs 移植的安全性和療效提供了有力證據(jù)，他們將相對(duì)大劑量的自體BMSCs 靜脈輸注到12 例腦卒中患者體內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組部分患者在移植后2 w 癥狀恢復(fù)有很大改善。1 y 后對(duì)這12 例患者進(jìn)行影像學(xué)和血清學(xué)檢查，發(fā)現(xiàn)患者腦梗死面積減小、沒(méi)有出現(xiàn)腫瘤和異常細(xì)胞生長(zhǎng)。

2.2 BMSCs 與腦外傷(Traumatic brain injury，TBI)BMSCs 移植同樣被用于TBI 的治療以達(dá)到促進(jìn)功能恢復(fù)的目的，移植的BMSCs 最多只有10%分化為神經(jīng)元，所以這一機(jī)制并不是促進(jìn)TBI 動(dòng)物模型功能改善的唯一途徑［1］。BMSCs 分泌的生長(zhǎng)因子如胰島素樣生長(zhǎng)因子-1、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子、腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子等促進(jìn)神經(jīng)新生、減少神經(jīng)元的凋亡與丟失和神經(jīng)組織的重塑可能是引起功能恢復(fù)的主要機(jī)制［3］。有趣的是，預(yù)先低氧刺激的BMSCs 移植后療效更加顯著［9］。最近，對(duì)BMSCs 的作用機(jī)制又出現(xiàn)一種新的解釋?zhuān)芯堪l(fā)現(xiàn)BMSCs 分泌的基質(zhì)金屬蛋白酶組織抑制因子-3(tissue inhibitors of metalloproteinase-3，TIMP3)可以改善TBI 后血腦屏障的穩(wěn)定性和通透性［10］。Han 等［11］提出對(duì)重度TBI 大鼠的療效與細(xì)胞移植的時(shí)間相關(guān)，他們分別在TBI后1 d 和7 d 將BMSCs 注射到損傷的胼胝體，結(jié)果顯示7 d后注射細(xì)胞的大鼠功能恢復(fù)的更好，而且更加有效地抑制了星形膠質(zhì)細(xì)胞的活性。除了SDF1 可以趨化BMSCs 移向腦組織，Deng 等［12］發(fā)現(xiàn)粒細(xì)胞集落刺激因子可以調(diào)動(dòng)BMSCs聚集在外w 血中，之后一起向受損的腦組織遷移并分化成神經(jīng)細(xì)胞。盡管這些研究結(jié)果都證明BMSCs 可以促進(jìn)TBI 后功能的恢復(fù)，但是受損面積卻沒(méi)有明顯變化，組織工程學(xué)有可能會(huì)解決這一問(wèn)題。

2.3 BMSCs 與脊髓損傷(Spinal cord injury，SCI)早在2002 年，Hofstetter 等［13］就發(fā)現(xiàn)BMSCs 可以促進(jìn)SCI 后神經(jīng)功能的恢復(fù)，并在受損神經(jīng)組織中存活，形成與周?chē)＝M織相似的神經(jīng)纖維。Osaka 等［14］在大鼠SCI 后的不同時(shí)間點(diǎn)(6 h 到28 d)給予靜脈輸注BMSCs 治療，結(jié)果顯示治療越早運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)的越明顯，但僅觀察到少數(shù)帶有神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)記物的移植細(xì)胞。此外，BMSCs 移植還可以減輕小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的反應(yīng)，增加神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的產(chǎn)生，保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞和促進(jìn)神經(jīng)軸突、血管的新生［15，16］。有研究采用直接植入損傷部位、腦池注射和靜脈輸注3 種不同方式探索BMSCs 移植的最佳途徑，結(jié)果表明在沒(méi)有植入細(xì)胞數(shù)目的限制下，腦池注射是最有效且最安全的細(xì)胞植入方式［17］。如果將電刺激和BMSCs 聯(lián)合應(yīng)用于SCI 治療會(huì)提高移植BMSCs 的存活率、分化和神經(jīng)纖維的新生，大鼠受損的神經(jīng)功能恢復(fù)效果會(huì)更加明顯［18］。值得注意的是，與異體移植BMSCs 相比，自體移植對(duì)于SCI 的功能恢復(fù)更加有效［19］，移植體外已分化成神經(jīng)樣細(xì)胞的BMSCs 比移植未分化的BMSCs 療效好［20］。

Saito 等［21］首先開(kāi)展BMSCs 治療SCI 的臨床試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)腰椎穿刺鞘內(nèi)移植BMSCs 治療的患者沒(méi)有出現(xiàn)不良反應(yīng)，移植的細(xì)胞可分泌一些營(yíng)養(yǎng)因子保護(hù)神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞。之后，他們繼續(xù)使用鞘內(nèi)注射BMSCs 的方式對(duì)5 例因頸髓損傷導(dǎo)致四肢癱瘓的患者進(jìn)行治療，患者功能明顯恢復(fù)，此后隨訪的1～4 y 中沒(méi)有出現(xiàn)任何不良反應(yīng)，再次證明了鞘內(nèi)移植BMSCs 是安全有效的方式［22］。最近，Karamouzian等［23］采用非隨機(jī)臨床試驗(yàn)方法，利用腰椎穿刺方式將BMSCs 植入11 例胸椎水平SCI 患者的腦脊液中，另外20 例患者接受傳統(tǒng)方式治療，BMSCs 治療的患者在12～33 m 的隨訪中沒(méi)有出現(xiàn)發(fā)熱、頭痛等不良反應(yīng)，BMSCs 治療組5 例(45.5%)和對(duì)照組3 例(15%)患者功能恢復(fù)，提示BMSCs有治療SCI 的潛能。

2.4 BMSCs 與神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病

2.4.1 BMSCs 治療PD 一項(xiàng)有趣的研究報(bào)道指出就細(xì)胞形態(tài)、表型和多向分化而言，正常人和PD 患者分離出的BMSCs 沒(méi)有明顯區(qū)別。體外培養(yǎng)的BMSCs 可以分化為多巴胺能神經(jīng)元，數(shù)目最高可達(dá)30%，提示這些細(xì)胞能夠被用于PD 患者持續(xù)分泌多巴胺［24］。BMSCs 預(yù)先誘導(dǎo)分化成神經(jīng)元后移植到大鼠多巴胺能傳入神經(jīng)被完全阻滯的紋狀體中，與移植單純的BMSCs 相比，對(duì)神經(jīng)功能的改善更有效。利用微透析技術(shù)證明紋狀體中部分多巴胺是由移植的BMSCs產(chǎn)生的，有少部分移植細(xì)胞擁有神經(jīng)樣形態(tài)和神經(jīng)標(biāo)記物。實(shí)際上，BMSCs 移植引起的神經(jīng)功能恢復(fù)有多種機(jī)制能夠解釋。BMSCs 在動(dòng)物PD 模型中遷移到損傷部位可能對(duì)腦神經(jīng)起到營(yíng)養(yǎng)和保護(hù)作用，同時(shí)也可能促進(jìn)內(nèi)源性神經(jīng)新生。Danielyan 等［25］發(fā)現(xiàn)PD 大鼠經(jīng)鼻內(nèi)給藥后，BMSCs 出現(xiàn)在皮質(zhì)、嗅球、海馬、紋狀體等區(qū)域，損傷部位的炎癥因子水平明顯降低，并且完全阻止了6-羥基多巴胺(6-hydroxydopamine，6-OHDA)導(dǎo)致的多巴胺神經(jīng)元凋亡。

2.4.2 BMSCs 治療亨廷頓舞蹈癥、阿爾茨海默病 紋狀體內(nèi)注射喹啉酸(quinolinic acid，QA)常被用于制作動(dòng)物亨廷頓舞蹈癥(Huntington’s disease，HD)模型。紋狀體內(nèi)直接移植BMSCs 會(huì)降低QA 所致的大鼠紋狀體萎縮程度，同樣，靜脈輸注BMSCs 能夠促進(jìn)HD 大鼠認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。在大部分實(shí)驗(yàn)研究中，只有少數(shù)移植細(xì)胞具有神經(jīng)元表型，因此BMSCs 可能主要通過(guò)分泌生長(zhǎng)因子作為神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)加強(qiáng)者促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞存活和其它代償反應(yīng)發(fā)揮作用［26］。Lin等［27］就發(fā)現(xiàn)移植的BMSCs 可通過(guò)與宿主組織整合、促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的增殖與分化、抗凋亡等方式改善HD 小鼠的運(yùn)動(dòng)功能。需要注意的是，自體移植BMSCs 不適用于治療HD 這類(lèi)遺傳性疾病，因?yàn)橐浦布?xì)胞同樣帶有突變的基因。

BMSCs 可以穿過(guò)血腦屏障進(jìn)入海馬，進(jìn)而改善阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)大鼠的空間學(xué)習(xí)和記憶能力。令人驚訝的是，移植細(xì)胞在AD 大鼠海馬中的存活率大于在正常海馬組織［28］。Bae 等［29］證實(shí)腦室注射BMSCs 可以急劇降低AD 小鼠腦中淀粉樣蛋白(amyloid β，Aβ)的沉積，增強(qiáng)與突觸傳遞相關(guān)的關(guān)鍵蛋白(動(dòng)力蛋白-1)、突觸膜蛋白-1 的表達(dá)。BMSCs 對(duì)Aβ 的這種效應(yīng)可能與其加速小膠質(zhì)細(xì)胞的激活有關(guān)，小膠質(zhì)細(xì)胞可以直接吞噬Aβ［30］。由于AD 腦組織有多個(gè)部位損傷，單純的細(xì)胞療法并不是最理想的治療手段。因此，即使BMSCs 治療AD 的研究正在增加，AD 可能不會(huì)成為重點(diǎn)研究對(duì)象。

3 BMSCs 與組織工程聯(lián)合應(yīng)用治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病

細(xì)胞療法一直受移植后細(xì)胞存活率、細(xì)胞分化和細(xì)胞與宿主的整合等問(wèn)題的困擾。隨著生物醫(yī)學(xué)材料研究的深入，組織工程學(xué)很有可能解決這些問(wèn)題。目前，支架的應(yīng)用最為廣泛，它為移植細(xì)胞提供三維的空間支撐，提高細(xì)胞存活率，甚至誘導(dǎo)細(xì)胞分化。研究已經(jīng)證實(shí)BMSCs 與支架聯(lián)合應(yīng)用可以提高對(duì)中樞神經(jīng)疾病的治療效果。BMSCs 聯(lián)合膠原支架移植不僅可以促進(jìn)TBI 后神經(jīng)功能的恢復(fù)還能夠加強(qiáng)移植細(xì)胞向腦實(shí)質(zhì)遷移，減小受損部位的大小。Jian 等［31］通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)無(wú)論是移植細(xì)胞的存活率、分化還是神經(jīng)功能的恢復(fù)，BMSCs 聯(lián)合支架療法都比單獨(dú)BMSCs 治療效果更顯著。同樣的結(jié)論在另一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)中也得到證實(shí)［32］。在HPMARGD 凝膠支架聯(lián)合BMSCs 治療慢性大鼠SCI 實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)聯(lián)合治療改善了神經(jīng)功能，阻止受損神經(jīng)組織的萎縮，并且在凝膠里觀察到血管、星形膠質(zhì)細(xì)胞和髓鞘包繞的軸突。Kang 等［33］將單純BMSCs 移植和與聚乳酸-羥基乙酸共聚物(poly(lactic-co-glycolic acid，PLGA)支架聯(lián)合應(yīng)用治療脊髓全橫切SCI 進(jìn)行比較，結(jié)果顯示只有BMSCs 聯(lián)合支架組才會(huì)有軸突的新生，并且有大量的神經(jīng)樣細(xì)胞形成，移植細(xì)胞至少可以存活8 w。

4 展 望

BMSCs 對(duì)中樞系統(tǒng)疾病的療效在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)得到廣泛證實(shí)，一些臨床試驗(yàn)結(jié)果也為其實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用提供了有利的證據(jù)。然而，這種治療方法缺乏長(zhǎng)效性，移植細(xì)胞的存活率太低，僅僅依靠移植細(xì)胞短暫地保護(hù)、營(yíng)養(yǎng)神經(jīng)無(wú)法達(dá)到根治疾病的目的。支架能夠有效提高移植細(xì)胞在體內(nèi)的存活率，促進(jìn)細(xì)胞分化和其與宿主組織的整合。BMSCs 與組織工程聯(lián)合應(yīng)用具有良好的前景，在治療TBI、SCI 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。近期，有報(bào)道指出BMSCs 與富含血小板血漿支架的聯(lián)合應(yīng)用在治療腦出血方面療效出色［34］。更多支架與BMSCs 聯(lián)合應(yīng)用治療中樞神經(jīng)疾病的實(shí)驗(yàn)研究正在進(jìn)行。然而，支架與BMSCs 聯(lián)合應(yīng)用的研究過(guò)程中同樣面臨挑戰(zhàn)，首先是支架的選擇，不同的神經(jīng)組織可能對(duì)支架的要求不同。其次，如何將支架和細(xì)胞一起運(yùn)送到受損組織，使治療過(guò)程對(duì)宿主的創(chuàng)傷最小。最后，怎樣進(jìn)一步提高支架協(xié)同細(xì)胞療法的療效。

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