神經(jīng)干細胞移植治療缺血性腦損傷的研究進展*

劉宗秀，高維娟

（1.承德醫(yī)學(xué)院病理生理學(xué)教研室，河北承德 067000；2.河北中醫(yī)學(xué)院/河北省中醫(yī)藥防治心腦血管病基礎(chǔ)研究重點實驗室）

缺血性腦損傷是當(dāng)前威脅人類生命健康的主要疾病之一，是導(dǎo)致人類死亡和殘疾的常見原因。腦缺血時，病理變化復(fù)雜，損傷后被激活的內(nèi)源性神經(jīng)干細胞（neural stem cells，NSCs）誘導(dǎo)神經(jīng)恢復(fù)有限。近年來，NSCs體外培養(yǎng)技術(shù)逐漸成熟，移植NSCs拯救缺血半暗帶瀕死的神經(jīng)元，能明顯促進神經(jīng)功能的恢復(fù)[1]，但NSCs移植治療腦缺血的作用機制尚不完全清楚，本文就NSCs移植對缺血性腦損傷的治療作用進行綜述。

1 缺血性腦損傷簡述

缺血性腦損傷包括一系列復(fù)雜病理過程：缺血后能量代謝障礙，ATP生物合成急速減少，引起細胞內(nèi)外鈉鉀失衡，細胞外Ca2+內(nèi)流，興奮性氨基酸過度釋放；大量氧自由基生成引起一系列連鎖反應(yīng)，細胞發(fā)生壞死或凋亡；膠質(zhì)細胞活化，吞噬大量壞死細胞的同時產(chǎn)生多種炎癥因子，細胞膜結(jié)構(gòu)破壞，加重血腦屏障損傷；隨后，線粒體凋亡途徑被激活，導(dǎo)致?lián)p傷區(qū)神經(jīng)細胞大量死亡。因此，缺血性腦損傷的發(fā)生是多種細胞因子參與的級聯(lián)反應(yīng)[2]，各個因素之間相互聯(lián)系、互為因果，致使大量神經(jīng)元損傷。目前，常用于治療缺血性腦損傷的藥物有神經(jīng)保護劑、溶栓劑、血管擴張劑等，但治療效果均不理想。20世紀(jì)90年代，Reynolds等[3]在胎鼠和成年鼠腦組織中成功分離出NSCs，此后，研究者們開始嘗試通過移植NSCs來補充和代替腦缺血時死亡的神經(jīng)細胞，為治療缺血性腦損傷開辟了一條新思路。

2 NSCs概述

NSCs是一類具有強大分裂潛能和自我更新能力的細胞群，且具有獨特的生物學(xué)特性：(1)分化性。NSCs能分化為神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞。(2)遷移性。NSCs能夠沿神經(jīng)纖維遷移至損傷或疾病部位，并產(chǎn)生新的神經(jīng)細胞。(3)低免疫原性。NSCs是未分化的原始細胞，不表達成熟細胞抗原，移植后不會被宿主細胞識別，免疫排斥反應(yīng)較輕。因此，NSCs被公認為是修復(fù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷的理想種子細胞[4]。目前，NSCs移植的方法主要有三種[5-6]：⑴腦室移植。將細胞注入損傷同側(cè)或?qū)?cè)側(cè)腦室，移植的NSCs可以促進神經(jīng)生長因子的分泌，效果最好。⑵腦實質(zhì)移植。通過單個或多個位點將NSCs直接注入缺血側(cè)或?qū)?cè)腦實質(zhì)，神經(jīng)細胞增殖數(shù)量最多。⑶靜脈移植。目前僅用于動物實驗，通過股靜脈或尾靜脈注射，NSCs隨血流達到腦缺血損傷區(qū)，可避免立體定向手術(shù)，創(chuàng)傷最小。

3 NSCs移植保護缺血性腦損傷的作用機制

NSCs獨特的生物學(xué)特性為缺血性腦損傷的治療提供了可能，目前NSCs修復(fù)神經(jīng)損傷、重建神經(jīng)功能主要通過兩種途徑。一是內(nèi)源性途徑，缺血性腦損傷可激活內(nèi)源性NSCs，缺血半暗帶原生血管提供支架，引導(dǎo)NSCs遷移至損傷區(qū)，NSCs增殖分化為神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞，進行自我修復(fù)；二是外源性途徑，移植外源性NSCs到缺血損傷區(qū)。研究者認為，NSCs移植修復(fù)缺血性腦損傷的可能機制包括[7]：（1）通過建立突觸連接，重新構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；（2）釋放遞質(zhì)和分泌多種神經(jīng)營養(yǎng)因子，從而刺激神經(jīng)形成，提高神經(jīng)元的存活率，誘導(dǎo)血管再生；（3）免疫調(diào)節(jié)減輕缺血性腦損傷的炎癥反應(yīng)；（4）還有相關(guān)報道認為，可能通過減少細胞凋亡來降低損傷。

3.1 NSCs促進突觸重建 突觸素是突觸重建的關(guān)鍵因素，是一種存在于神經(jīng)元軸突終末的膜蛋白，與突觸的功能和結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系，能調(diào)節(jié)谷氨酸的釋放，從而促使突觸重建。當(dāng)突觸素基因敲除后，神經(jīng)元細胞器減少，突觸后膜退變萎縮，軸突嚴重破壞，但突觸素上調(diào)后，突觸數(shù)目增加，神經(jīng)傳導(dǎo)逐漸恢復(fù)[8]。研究發(fā)現(xiàn)，移植GDNF基因修飾的NSCs能明顯上調(diào)腦缺血大鼠突觸素的表達，從而有利于突觸的改建和重塑[9]。Hiu等[10]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)NSCs移植治療后，腦缺血大鼠谷氨酸受體A2和谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白1的水平明顯升高，從而能加快突觸的信號傳導(dǎo)。研究顯示，NSCs移植治療后，Sinapsin-1、MAP-2、GAP-43等突觸重塑相關(guān)指示因子表達升高，突觸形成增加[11]。富奇志等[12]發(fā)現(xiàn)，血管內(nèi)皮祖細胞與NSCs共移植后可以提高缺血半暗區(qū)Cx43縫隙連接蛋白及突觸蛋白的表達，增加縫隙連接數(shù)目，加快突觸重塑和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建。綜上，移植的NSCs可通過建立突觸連接與宿主神經(jīng)細胞發(fā)生整合，這可能是NSCs移植促進腦缺血缺血損傷恢復(fù)的機制之一。

3.2 NSCs分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子 神經(jīng)發(fā)生和血管發(fā)生是促進缺血性腦損傷恢復(fù)的重要病理生理學(xué)過程，Taguchi等[13]首次發(fā)現(xiàn)神經(jīng)生成與血管再生在修復(fù)缺血性腦損傷中有協(xié)同作用。已有研究證實，能起到輔助修復(fù)缺血性腦損傷的神經(jīng)營養(yǎng)因子有30多種[14-15]，如表皮生長因子（EGF）、堿性成纖維細胞生長因子（bFGF）、睫狀神經(jīng)生長因子（CNTF）、腦源性神經(jīng)生長因子（BDNF）、神經(jīng)膠質(zhì)細胞源性神經(jīng)生長因子（GDNF）、胰島素樣生長因子(IGF)、血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）等，這些神經(jīng)營養(yǎng)因子能在NSCs移植早期發(fā)揮積極的神經(jīng)營養(yǎng)支持作用，促進神經(jīng)發(fā)生，誘導(dǎo)突觸重塑，并且與血管生成密不可分。

3.2.1 NSCs通過神經(jīng)營養(yǎng)因子促進神經(jīng)再生：神經(jīng)營養(yǎng)因子有助于神經(jīng)突觸發(fā)育，減少神經(jīng)細胞凋亡。有研究報道，不論是內(nèi)源性還是外源性NSCs，都能分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子，外源性NSCs分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子促進損傷區(qū)神經(jīng)修復(fù)，同時能促進內(nèi)源性NSCs增殖，改善受損區(qū)微環(huán)境，增強NSCs修復(fù)損傷腦組織的能力[16]。還有研究證實，以BDNF為代表的多種神經(jīng)營養(yǎng)因子在NSCs移植后表達持續(xù)升高，且損傷區(qū)神經(jīng)元的存活率明顯提高[17]。在眾多神經(jīng)營養(yǎng)因子中，神經(jīng)生長因子(nerve growth factors，NGF）是最有活力的生長因子之一，與缺血性腦損傷后神經(jīng)再生和修復(fù)密切相關(guān)，它能通過拮抗興奮性氨基酸毒性，減少氧自由基釋放，穩(wěn)定細胞內(nèi)Ca2+的濃度，促進神經(jīng)軸突生長，發(fā)揮神經(jīng)保護作用[18]。還有研究顯示，與對照組相比，攜帶有神經(jīng)營養(yǎng)因子的NSCs移植組大鼠，腦梗死面積和神經(jīng)元凋亡數(shù)目明顯減少[19]，這一研究結(jié)果也證明了上述觀點。

3.2.2 NSCs通過神經(jīng)營養(yǎng)因子促進血管再生：血管再生是原生血管內(nèi)皮細胞增殖、分裂、游走、芽生而形成新的毛細血管，能夠改善腦組織的血液供應(yīng)和促進NSCs的分化和成熟，給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重塑創(chuàng)造良好微環(huán)境；同時，移植的NSCs也能夠誘導(dǎo)血管新生，有助于血流和血腦屏障的恢復(fù)[20]。缺血性腦損傷發(fā)生后，移植的NSCs能分泌并誘導(dǎo)宿主細胞分泌多種促血管生成因子，如GDNF、VEGF、IGF等。其中VEGF是最重要的促血管生成因子，它通過與特異性受體結(jié)合，增加微血管密度，促進新生血管生成，營養(yǎng)和保護缺血缺氧條件下的神經(jīng)細胞，修復(fù)受損腦的組織[21]。最近的研究表明[22]，NSCs分泌的VEGF通過激活星形膠質(zhì)細胞中的PI3K/Akt信號通路，上調(diào)谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白1的表達，降低細胞外谷氨酸的濃度，有助于缺血性損傷后的突觸重塑。Pavlich等[23]將轉(zhuǎn)染VEGF基因的NSCs移植到大鼠紋狀體缺血區(qū)，發(fā)現(xiàn)移植區(qū)血管內(nèi)皮細胞數(shù)量顯著增加，毛細血管結(jié)構(gòu)相對完整?？傊庠葱訬SCs能通過分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子有助于血管再生，從而促使缺血性腦損傷的恢復(fù)。

3.3 NSCs減輕炎性反應(yīng) 缺血性腦損傷能激活炎性細胞合成釋放多種炎癥介質(zhì)，如IL-1、IL-6、IL-10、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、黏附分子、選擇素等，這些炎癥介質(zhì)反過來進一步刺激炎癥細胞，形成惡性循環(huán)，加重神經(jīng)和血管的損傷。研究發(fā)現(xiàn)，NSCs可減輕抗原誘導(dǎo)的免疫排斥反應(yīng)，抑制炎癥發(fā)生[24]。還有研究發(fā)現(xiàn)，NSCs移植能降低小膠質(zhì)細胞及星形膠質(zhì)細胞等炎性細胞的活化，通過上調(diào)TIMP-1水平，下調(diào)L-選擇素、瘦素、TNF-α、MCP-1從而調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)[25]。另外，還有研究顯示NSCs移植能夠降低炎癥趨化因子CXCL1、CXCL2和其受體CXCR2的表達，并能顯著抑制炎癥介質(zhì)IL-1β、IL-6、TNF-α及細胞黏附分子的表達，同時還可以促進血腦屏障的重建[26-28]。NSCs移植抗炎機制由多種免疫細胞及炎性因子調(diào)控，但涉及的炎癥信息轉(zhuǎn)導(dǎo)通路尚不完全清楚，還需更深入地探索。

3.4 NSCs抑制細胞凋亡 缺血性腦損傷發(fā)生后，受復(fù)雜的凋亡調(diào)控系統(tǒng)作用，細胞色素C（cyt-c）自線粒體釋放入胞漿，通過激活Caspase基因誘導(dǎo)細胞凋亡。Caspase-3是多種死亡受體介導(dǎo)凋亡途徑的共同下游效應(yīng)部分，是凋亡程序中最重要的蛋白酶。實驗研究表明，膠質(zhì)細胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子基因修飾的NSCs移植能通過降低Caspase-3的表達，減少缺血損傷區(qū)神經(jīng)元凋亡；同時有研究發(fā)現(xiàn)，脂肪組織來源的NSCs保護缺血性腦損傷也與下調(diào)Caspase蛋白的表達有關(guān)[29-30]。Bcl-2/Bax是細胞凋亡調(diào)控的另一對基因，Bcl-2是重要的抗細胞凋亡基因，通過控制細胞內(nèi)Ca2+的釋放，抑制氧自由基的產(chǎn)生，阻止促細胞凋亡基因的信號傳遞；而Bax是強有力的促細胞凋亡基因，Bax能夠與Bcl-2形成同源或異源二聚，從而阻斷Bcl-2對細胞凋亡的抑制作用。有研究顯示[31-32]，骨髓基質(zhì)細胞來源和人脂肪組織來源的NSCs移植治療缺血性腦損傷，可能是通過上調(diào)Bcl-2、下調(diào)Bax蛋白表達來減少神經(jīng)細胞凋亡。還有研究發(fā)現(xiàn)，移植NSCs治療能夠顯著降低神經(jīng)細胞凋亡數(shù)量，抑制半暗帶區(qū)細胞凋亡，改善缺血性腦損傷時神經(jīng)功能的缺失[33-34]。綜上，NSCs移植可通過調(diào)控凋亡基因，減少神經(jīng)細胞凋亡，從而減輕缺血性腦損傷。

4 結(jié)語

NSCs移植為缺血性腦損傷神經(jīng)功能的恢復(fù)提供了全新的治療模式，移植的NSCs能通過促進突觸重塑、分泌生長因子、減輕炎性反應(yīng)、抑制細胞凋亡等發(fā)揮神經(jīng)保護作用。但NSCs移植療法面臨著各種挑戰(zhàn)，首先，移植的NSCs在體內(nèi)成活率尚不明確，定向增殖分化機制尚未完全清楚；其次，NSCs移植異體免疫排斥反應(yīng)及抗炎調(diào)節(jié)作用機制錯綜復(fù)雜，是研究者們需要繼續(xù)深入探討的課題。相信隨著對NSCs移植治療缺血性腦損傷作用機制的進一步認識，NSCs移植療法在臨床上將會有十分可觀的應(yīng)用前景，為治療神經(jīng)系統(tǒng)疾患帶來新希望。