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干细胞修复脊髓损伤的研究现状

发布者:实用医学杂志  发布日期: 2017-06-06

1 概述

2015 年的一项最新统计数据显示:SCI 的世界平均发病率为 25.5 /百万[4],印度发病率为 236 /百万,美国则高达 180 /百万[5],平均发病年龄仅为 31.7 岁[6],加之 SCI 本身的高致残率、低死亡率的特点,给患者、家庭和社会均会带来沉重的负担[1]。SCI 后受损伤部位严峻复杂的病理生理改变可导致炎症反应、血管破坏和广泛的细胞死亡,并可在 SCI 后的几天到几周,在受伤部位形成一个“抑制囊”,周围包绕星形胶质细胞[17]。这些细胞会分泌大量抑制性蛋白如硫酸软骨素蛋白多糖和轴突生长抑制因子,从而抑制轴突再生和髓鞘形成。尽管胶质瘢痕期是机体的自我保护机制之一,能在一段时间内保持局部环境的相对稳定,以保护受损的脊髓,但是从长期来看,并不利于受损脊髓的再生及神经功能恢复,反而会导致慢性 SCI 的发生,导致许多患者发生截瘫等 SCI 的严重并发症。

目前对 SCI 的治疗主要靠手术和激素治疗。手术治疗仅对压迫性及嵌顿性的 SCI 有一定效果,对于SCI 后造成的神经损害,手术仍没有办法解决。一些皮质醇类激素药物如高剂量的甲基强的松龙在短期内应用于治疗急性 SCI 虽然有一定疗效,但是会出现严重的副作用,而且治疗效果不确定[8]。

由于干细胞有着比较强的分化潜能,能够产生大量的信号分子,包括抗炎细胞因子和生长因子等,能调节 SCI 后的微环境,发挥对局部移植细胞的营养、支持作用[9]。所以不管是哪种来源的干细胞被移植入损伤局部后,都会起到促进神经再生以及恢复神经环路的作用,并且都一直是被研究的重点。

2 干细胞在 SCI 中的应用

2.1 胚胎干细胞 多能胚胎干细胞(ESCs)是用于 SCI 组织修复、再生的一类常见的种子细胞[10]。以ESCs 为基础的疗法是否适合用于 SCI 模型修复,有许多的研究报道。

BOTTAI 等[11]将未分化的 ESCs 经尾静脉注射移植治疗 T SCI 小鼠,发现 ESCs 通过减轻炎症反应和保8护髓鞘来促进受损脊髓恢复。KEIRSTEAD 等[12]移植从小鼠的 ESCs 获取的神经干细胞(neural stem cellsNSCs)到大鼠 SCI 模型体内,移植的大多数细胞存活,向损伤部位迁移,被证明优先分化为少突胶质细胞和星形胶质细胞。将诱导的 ESC 源性的少突胶质祖细胞移植到脱髓鞘的脊髓处,发现有助于轴突髓鞘的形成,患者的运动功能有了一定程度的恢复。Geron 公司[13]在 2011 年对“ESC SCI 患者的临床安全性”这一问题进行了Ⅰ期临床试验研究,一些亚急性 SCI 的志愿者移植了人 ESCs 中少突胶质细胞的前体细胞,遗憾的是,Geron 公司的计划在 2012 年就取消了,临床试验未完成。到目前为止,仍然没有 ESCs 移植患者的安全问题报告。胚胎干细胞虽然具有多能性,可以在体外进行多向修饰,是用于临床各种再生修复问题的好方向。但是它取材有限,体外分化条件较高,在临床中应用还需要找寻更好的诱导方式和来源才能广泛使用。

2.2 诱导多能干细胞 2006 年由日本 Yamanakas 实验室率先报道另一种类型的多能干细胞,称为诱导多功能干细胞(induced pluripotent stem cellsiPSCs)[14],它的出现,使直接从成人组织中获取干细胞并用于自体移植成为可能。该种干细胞是在分化成熟的细胞中转入 4 个转录因子,从而恢复成体细胞的多能干细胞。

理论上讲,由于 iPSCs 能从成人组织中获取,因而不仅可为自体移植提供丰富的细胞来源,而且没有免疫排斥的风险。不过,最令人担忧的是 iPSCs 的安全性,目前许多对于 iPSCs 的研究结论并不一致[15]。ZHAO 等[9]在 2012 年用畸胎瘤的形成分析方法证实 iPSCs 在小鼠体内不仅形成了畸胎瘤而且出现了强烈的细胞免疫排斥反应。而在 2013 年,ARAKI 等[16]通过移植 iPSCs 克隆获得的细胞嵌合体到小鼠体内,得到了 ZHAO 等[9]不同的结论:很少或根本没有观察到免疫原性。

不过,虽然有些报告强调了 iPSCs 技术的缺陷,但在 SCI 治疗中应用 iPSCs 修复取得良好效果的报道也逐渐增多。例如,将人类 iPSC来源的神经球(hiPSCNSs)移植入一只糖尿病合并免疫缺陷的 SCI 小鼠体内,hiPSCNSs 不仅存活、迁移了,而且还向三类主要的神经细胞分化[17]。移植细胞和宿主细胞之间神经元有突触的形成、神经营养因子的表达、新生血管生成,并在受损部位有轴突再生和髓鞘形成[18]。另外,移植 hiPSCNSsgrafted 后的小鼠神经功能活动有所恢复,并且没有肿瘤形成。最近,一项临床前研究[19]将啮齿类和人来源的神经干细胞克隆体移植到猴子 SCI 模型体内,与之前的研究结果类似,移植的细胞存活并分化成神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞,没有证据表明有肿瘤形成。而且在病变中心,均能观察到轴突再生、血管增生和脱髓鞘改变减少,治疗结束时,动物的功能有所恢复。

iPSCs 虽易得,却亟待解决安全性方面的问题。 iPSCs ESCs 有着类似的特征,如多能性、自我更新能力和相同的基因型。这两种细胞类型均存在染色体核型改变以及致畸等潜在风险。不过,也有研究[20]发现,相同条件下 ESCs iPSCs 更有利于向神经系统分化。

2.3 NSCs SCI 研究较多的另一类细胞群是 NSCsNSCs 起源于中枢神经系统[21],已经被证明能分化为哺乳动物中枢神经系统中三类主要的神经细胞。因此,它们有可能取代 SCI 后受损的神经元,并分化为星形胶质细胞、少突神经胶质细胞,促进神经髓鞘的形成。实验已经证实,移植进入 SCI 大鼠损伤模型中的 NSCs,能够产生新的神经元,这些新生的神经元能在脊髓当中从头端向尾端迁移很长距离,大鼠的功能也有所恢复。在猴子颈部挫伤的 SCI 模型中,移植入外扩增的人源 NSCs 9 d 之后,在损伤的部位可观察到其存活,并分化为神经系细胞,损伤部位的 SCI 范围也有所减少,移植动物的运动神经元轴突有明显的增长[22]。更有趣的是,在小鼠外伤所致的 SCI 模型中,移植入人源 NSCs,这些细胞不仅可以分化为神经元,而且可以与小鼠本身的神经元形成突触联系。有最新研究报道,将胚胎 NSC 移植入脊髓全横断大鼠局部,2 个月后发现移植细胞在中枢神经系统内其他部位增殖,而且分化为不同的细胞系[23]。有研究[2124]发现,NSCs 的促神经再生作用是由于其分泌神经营养因子,而且体外、体内实验均证实 NSCs 能分泌出促进宿主的轴突生长的因子,如 NT3 等。

不管对哪一类的细胞研究,最终目的都是要应用到临床治疗上来为人类健康服务。所以瑞士的Stem Cells Inc. Company 建立了世界第一个将 NSCs 应用于人 SCI 的临床实验研究[25],并从 2011 年开始,开展临床Ⅰ/Ⅱ期实验计划去评价慢性 SCI 患者应用的安全性和有效性。此项研究中,有 7 例患者是全横断损伤,5 例患者为不完全 SCINSCs 被直接注射入他们的脊髓,并短期给予他们一些免疫抑制剂。后期临床资料报告显示,12 例当中有 8 例实际的纳入临床实验范畴。对于全横断的 SCI 损伤患者,有 4 例患者出现感觉功能恢复;而对于不全 SCI 患者,有 2 例明显出现了感觉功能恢复,其余患者临床症状未改善。

 

2.4 间充质干细胞(MSCs 在过去的十年中,MSCs 也一直是 SCI 再生策略研究的热点。这类细胞存在于骨髓当中,由 FRIEDENSTEIN 等[26]首次提出。它们贴壁生长,不仅具有纤维细胞的集落生长的特点,还可分化为骨、软骨、脂肪细胞。MSCs 与其他细胞相比的主要优点是实用,因为它几乎在每种组织中均可以被找到。MSCs 还很容易被分离,不会出现伦理道德问题[27]。MSCs 移植入体内的有效性就是看其进入体内之后分化为何种的细胞类型,MSCs 可以分化为神经元样细胞及胶质样细胞[28]。还能通过血脑屏障迁移至中枢神经异同的其他部位并分化为小胶质细胞。尽管有这些研究结果,MSCs 移植仍然是一个有争议的话题。事实上,MSCs 的作用更可能与其产生一些营养因子相关[29],例如 MSCs 分泌一些生物活性分子通过自分泌或者旁分泌等调控方式,促进损伤区域的组织再生并抑制损伤局部的免疫反应,增加局部血管的生成、抑制胶质瘢痕产生和细胞凋亡。

以上这些结果表明,MSCs 可能在中枢神经系统组织和细胞移植中发挥着多功能角色,这也是最值得深入探讨的地方。MSCs 应用到临床的实验研究也被广泛开展,尤其是应用 MSCs 的生物安全性。现在,应用 MSCs 治疗颈段和胸段 SCI 的Ⅰ/Ⅱ期临床实验已经开展,尽管试验中有 90%颈段 SCI 患者有明显的功能恢复,但是,仍缺乏推广性的大数据证明其效性[30]。此外,移植的时间窗、移植的细胞中 CD34+表达量以及患者的性别、年龄这些均是影响治疗的可能因素。而如何把握好这些因素的影响,目前也缺乏临床上大研究数据的支持[31]。

3 小结

笔者所在的实验室最近在研究人羊膜来源的 MSCs 治疗 SCI 的效果。和上述一样,如何确保 MSCs 在体内可以分化成需要的细胞,如何保证一定的移植率,使增殖的细胞可以连接起脊髓断端是目前存在的大问题。因此,笔者采用了一种新型的生物材料——可注射水凝胶作为载体。将 MSCs 负载其中注射在脊髓断端,水凝胶在体内会固化成胶状连接断端,在水凝胶上负载其他细胞因子,如 NT3 等更能促进MSCs 的分化,使 SCI 大鼠模型的运动恢复更好。目前成果正在整理中。

干细胞移植修复 SCI 虽然是现在的热点,但是由于伦理、来源、安全性等问题至今都无法获得一个完美的干细胞种类。所谓“完美”即是来源广泛,不存在伦理争议,无毒无害,安全性高,无副作用,疗效高。以上提到的 4 种干细胞各有优缺点:ESCs 来源有限,有伦理限制但多能性高,可分化的方向多;iPSCs 可取自成人组织,伦理问题不大,多能性也可以和 ESCs 媲美,但两者都存在不小的安全性问题,目前临床试验还很少,无法得到疗效如何的实验依据。NSCs MSCs 是目前较为理想的两种干细胞,来源较广,争议较小,且有一些临床实验支持,但是多能性不如前两者,体内外诱导成功率较低,寻求更好的诱导方式是目前的主要问题。近年来,随着研究的不断深入,生物材料联合干细胞移植悄然兴起[32],组织工程与再生医学对 SCI 的治疗方法发挥了重要作用。因为生物材料有助于稳定病灶局部、直接递送细胞,并可以为受伤组织的再生提供一个合适的微环境,因此是 SCI 的重要再生策略,也将是今后 SCI 损伤修复研究的重点方向。

4.参考文献

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