骨髓間充質干細胞治療缺血性腦卒中的多重作用機制

雷 廷 李桂宏 孫玉學 張超超 黃海燕

(吉林大學第一醫(yī)院神經腫瘤外科，吉林 長春 130021)

骨髓間充質干細胞治療缺血性腦卒中的多重作用機制

雷 廷 李桂宏 孫玉學 張超超 黃海燕

(吉林大學第一醫(yī)院神經腫瘤外科，吉林 長春 130021)

骨髓間充質干細胞；缺血性腦卒中

骨髓間充質干細胞(BMSCs)治療缺血性腦卒中已得到動物實驗和臨床研究的證實，但其復雜的作用機制尚待進一步研究。本文就BMSCs治療缺血性腦卒中的移植途徑，向腦缺血區(qū)域的定向遷移、免疫調制功能、抑制細胞凋亡、增強腦缺血區(qū)的血管發(fā)生、神經營養(yǎng)因子的分泌、分化替代及重建神經環(huán)路等多個方面進行文獻綜述。

1 BMSCs移植途徑

BMSCs可通過顱內和血管內兩種移植途徑接種〔1〕。顱內途徑即指立體定向注射。經紋狀體直接注射能夠使更多的移植BMSCs到達大腦損傷靶點，使用的細胞數量少，起效時間短是其特點〔2〕；腦室內注射是另外一種顱內途徑，其成功依賴于移植細胞的遷移效果、對腦脊液的適應能力和穿過血腦屏障的生存力〔3〕。研究發(fā)現顱內移植由于存在侵入性，在梗死區(qū)的多次注射導致局部組織細胞機械性損傷〔4〕。

血管內途徑包括靜脈內和動脈內途徑。與顱內途徑相比，血管內途徑能夠使移植細胞在損傷部位更廣泛的分布，所以可能對大面積腦損傷的效果更好〔5〕。研究顯示組織損傷后能釋放大量的炎性細胞因子〔6〕，而BMSCs則可表達多種趨化因子受體〔7〕，因此能被損傷或炎癥區(qū)域吸引。腦缺血后，靜脈內移植的BMSCs靶向遷移到大腦缺血中心區(qū)和梗死周邊區(qū)。BMSCs靜脈輸注后多數在肺臟脈管系統(tǒng)被俘獲，可能與BMSCs體積較大有關〔8〕。與顱內注射相比，靜脈內注射雖相對簡單且損傷更小，但到達缺血腦組織的細胞數量較少〔9〕。動脈內移植要比靜脈的效果更好，減少其他組織捕獲細胞的數量，在短時間內直接把細胞送達整個缺血損傷部位。有臨床研究顯示，BMSCs動脈內移植能使細胞到達距離損傷更近的動脈末端，因此這是一種安全可行的促進卒中患者神經功能恢復的方式〔10〕。

雖然動脈內途徑和顱內途徑均可減少其他組織捕獲細胞的數量，但是這2種方法都存在侵襲性。BMSCs經不同途徑移植治療腦卒中的療效及安全性仍有待確定。另外，移植的最佳時間窗仍不明確，可能是越早效果越好；最優(yōu)注射劑量也在研究中〔11〕。

2 BMSCs治療缺血性腦卒中的作用機制

2.1 BMSCs向腦缺血區(qū)域的定向遷移 通過活體顯微或組織放射顯影發(fā)現移植的BMSCs主要聚集在缺血周邊區(qū)和腦室下區(qū)〔12〕。由于腦缺血梗死區(qū)小膠質細胞和星形膠質細胞可分泌基質細胞衍生因子(SDF)-1，而BMSCs可表達SDF-1的同源受體趨化因子受體CXCR-4，SDF-1和CXCR-4的相互作用可能使BMSCs向梗死區(qū)遷移〔13〕。也有研究證實，CXCR-4或SDF-1α的缺乏會顯著降低BMSCs靶向遷移效果〔14〕。Wang等〔15〕認為BMSCs表達的CXCR-7和CXCR-4協(xié)同作用促進BMSCs的遷移，并且認為CXCR-7的作用比CXCR-4強。Zhang等〔16〕研究認為趨化因子CX3CL1/fractalkine通過CX3CR1活化Jak2-Stat5alpha-ERK1/2信號，觸發(fā)整聯(lián)蛋白依賴的結構重組促使BMSCs向缺血損傷腦組織趨化性遷移。說明BMSCs遷移是一個多因子共同作用的結果。但BMSCs具體是如何跨越血腦屏障的仍有待確定。

2.2 BMSCs具有免疫調制功能 BMSCs具有免疫調制功能，可以同時減弱先天性和適應性免疫反應，減輕中樞神經系統(tǒng)損傷。局部缺血性腦卒中誘發(fā)強烈的炎癥反應導致白細胞向梗死區(qū)域募集〔17〕。體外實驗顯示當白細胞和BMSC共培養(yǎng)時，白細胞增殖減少，發(fā)生分化異常〔18〕。MSCs分泌的轉化生長因子(TGF)-β能降低腦缺血區(qū)單核細胞趨化蛋白(MCP)-1水平，減少循環(huán)CD68+免疫細胞穿過受損的血腦屏障滲入到腦梗區(qū)域的數量，抑制腦缺血區(qū)的免疫反應〔19〕。另外，MSCs也可能通過降低小膠質細胞中STAT3的表達及磷酸化〔20〕，降低白細胞介素(IL)-23/IL-17的表達〔21〕，同時降低IL-1β、IL-6和腫瘤壞死因子(TNF)-α的水平〔22〕，發(fā)揮抑制免疫反應的作用。有研究證實BMSCs可升高IL-10并降低TNF-α，限制缺血后損傷〔23〕。移植的BMSCs抑制T細胞增殖，促進Treg細胞表型表達，非特異性的抑制CD4+和CD8+T細胞的產生〔24〕。MSC還能夠通過下調巨噬細胞、B細胞、NK細胞和抗原提呈細胞的表達抑制炎癥反應〔25〕。另外，MSC靜脈途徑移植時可能被肺臟捕獲，動脈途徑移植又會聚集在脾臟，但對大腦仍有免疫調制作用〔26〕。這說明移植的MSC對免疫功能的長遠影響，但其免疫調制機制還不完全清楚。

2.3 BMSCs能有效抑制細胞凋亡 BMSCs移植能有效抑制缺血損傷半暗帶的細胞凋亡。研究發(fā)現，BrdU-BMSCs移植治療的腦卒中大鼠細胞凋亡減少且堿性成纖維細胞生長因子(bFGF)表達增加。BMSCs移植后星形膠質細胞凋亡反應減弱〔27〕。應用人源BMSCs靜脈內移植時檢測到更少的凋亡細胞〔28〕。MSCs可能通過激活Akt依賴的抗凋亡級聯(lián)反應〔26〕，降低caspase-3活性，降低Bax/Bcl-2比例，降低IL-1β、IL-6和TNF-α的水平〔29〕，抑制細胞凋亡，進而促進內源性神經干細胞和膠質細胞等的增殖〔30〕。

2.4 BMSCs能增強腦缺血區(qū)的血管發(fā)生 腦卒中缺血梗死區(qū)和周邊區(qū)的血管發(fā)生在介導神經元的存活和再生中發(fā)揮重要作用。BMSCs移植能增強腦缺血區(qū)的血管發(fā)生，增加新生微血管的數量，顯著改善神經血管的損傷〔31〕。BMSCs可分泌血管內皮生長因子(VEGF)、bFGF、胎盤生長因子(PIGF)等多種促進血管生成的細胞因子〔32〕。BMSCs除分泌生物活性分子促進血管發(fā)生外，其本身還能起到支撐作用，如支持周細胞、星形細胞和內皮細胞的交聯(lián)，維持血腦屏障的完整性，在血管周圍形成支持神經發(fā)生的微環(huán)境，參與促進神經功能恢復〔33〕。

2.5 BMSCs能夠分泌多種神經營養(yǎng)因子 有研究〔31〕顯示，缺氧條件下將BMSCs和皮質神經元共同培養(yǎng)后，BMSCs可分泌多種神經營養(yǎng)因子。為檢測BMSCs分泌的神經營養(yǎng)因子的作用，培養(yǎng)來自大鼠的BMSCs，取培養(yǎng)基(Cm)對缺血卒中動物模型進行治療，培養(yǎng)基能在增強神經細胞間的連接，促進卒中后功能恢復等方面發(fā)揮效能〔34〕。腦缺血大鼠移植BMSCs后，BMSCs能在移植早期發(fā)揮積極的神經營養(yǎng)支持作用〔32〕。BMSCs還能誘導中樞神經系統(tǒng)實質細胞分泌神經生長因子(NGF)、腦源性神經營養(yǎng)因子(BDNF)、膠質細胞源性神經營養(yǎng)因子(GDNF)、表皮生長因子(EGF)、bFGF、胰島素樣生長因子(IGF)-1、肝細胞生長因子(HGF)、干細胞因子(SCF)等〔35〕，這些生物活性因子可協(xié)同作用促進腦卒中損傷的恢復。BMSCs能夠正調節(jié)骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)-2/4，促進突觸囊泡蛋白的表達〔36〕，而這些因子可促進腦缺血區(qū)星形細胞的分化，并提高縫隙連接蛋白(CX)-43的表達，加快腦內小分子交換，增強突觸的效能〔37〕。由BMSCs直接或間接產生的生物活性分子可促進神經發(fā)生，提升腦白質的完整性，誘導突觸發(fā)生。

2.6 BMSCs的分化替代及重建神經環(huán)路 體外研究的結果顯示，BMSCs具有能力為多個胚胎系細胞的分化，包括神經元、神經膠質細胞和內皮細胞等。既往研究顯示，BMSCs移植后，在缺血性腦卒中動物模型中樞神經系統(tǒng)檢測到神經細胞和神經膠質細胞標志物〔38〕。有研究發(fā)現MSC不能表達功能性神經細胞的電壓門控離子通道〔39〕。缺血性腦卒中動物模型最終的行為改善可能是基于神經系統(tǒng)的可塑性或者是內源性神經干細胞的活化遷移〔40〕。因此MSC直接分化為替代腦卒中后損傷的中樞神經系統(tǒng)細胞的可能性很小，或者說缺乏確切的證據。

BMSCs增強軸突的可塑性，重建神經回路可能是缺血性卒中后神經功能恢復的基礎〔41〕。BMSCs由靜脈途徑移植后，大鼠紋狀體、海馬、胼胝體中軸突和髓鞘數量顯著增高，缺血區(qū)神經元發(fā)出的軸突沿反應性星形細胞的放射性延伸方向生長〔42〕。BMSCs通過軸突萌發(fā)恢復不同腦區(qū)域的聯(lián)系，顯著增強大腦梗死周邊運動皮質的存活，促進腦卒中后功能恢復〔41〕。BMSCs移植有修復缺血損傷的神經網狀系統(tǒng)重建神經聯(lián)接的潛能，而回路活性的恢復可能有助于提升感覺運動功能〔35〕。然而，BMSCs誘導突觸再塑的分子機制還不是很清楚。

3 臨床試驗的療效和安全性

一項應用BMSCs移植缺血腦卒中患者的研究中〔43〕，把缺血腦卒中患者隨機分為實驗組和對照組，實驗組接受靜脈灌注自體BMSCs，與不接受治療的患者對照組相比，BMSCs顯著的提高了患者改良的Rankin評分和Barthel指數，在隨訪中，沒有發(fā)現比如靜脈血栓栓塞、異常的細胞增殖、系統(tǒng)性惡性腫瘤、系統(tǒng)性感染、神經系統(tǒng)衰退等不良作用的證據〔44〕。這些數據為BMSCs移植治療腦缺血卒中的安全性及改善卒中后功能提供了初步的支持。其他探究自體和異體BMSCs移植安全性和效能的臨床試驗，縮短BMSCs體外培養(yǎng)擴增周期方法，卒中后引入BMSCs時機的選擇，不同應用劑量對治療效能的影響等研究也都在進行。

綜上所述，BMSCs能遷移并存活于腦缺血半球，創(chuàng)造有利于存活和再生的微環(huán)境來修復損傷的神經組織。BMSCs引發(fā)的抗炎反應能減輕神經水腫，免疫調制也減輕梗死區(qū)神經細胞及神經膠質細胞的凋亡。BMSCs誘導血管發(fā)生，改善大腦血液循環(huán)，促進神經組織修復。BMSCs促進有利作用細胞因子和神經營養(yǎng)因子的釋放，給缺血半影區(qū)易損傷的神經元提供營養(yǎng)支持。BMSCs可能刺激局部軸突萌發(fā)，髓鞘再塑，促進內源性神經發(fā)生。BMSCs治療機制的研究已經取得了很多成果，但是仍未完全闡明，尤其是神經再塑和血管發(fā)生的生物分子機制仍是待深入研究的方向。隨著BMSCs移植治療缺血性腦卒中的多重作用機制研究的不斷深入，將為我們在腦缺血性疾病的治療、促進腦缺血后神經功能恢復、改善其預后等方面提供更具價值的臨床指導。骨髓間充質干細胞移植是治療腦缺血的一個有希望的策略。

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〔2016-11-01修回〕

(編輯 李相軍)

黃海燕(1963-)，男，主任醫(yī)師，教授，博士生導師，主要從事缺血損傷后神經再生等研究。

雷 廷(1989-)，男，碩士在讀，主要從事顱腦相關腫瘤研究。

R743

A

1005-9202(2017)06-1544-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.06.106