骨髓間充質干細胞治療脊髓損傷的研究進展

李思偉，王素彬，張志華

脊髓損傷(spinal cord injury,SCI)一直是醫學界的一項難題，嚴重危害人類健康，目前尚無確切有效的治療方法。骨髓間充質干細胞(bone mesenchymal stem cells,BMSCs)是存在于骨髓中的間充質干細胞，具有定向或多分化的潛能。目前研究證明，BMSCs具有治療SCI的潛能，其可向損傷部位自主遷移并增殖，轉化為神經干細胞，并分泌神經營養物質和細胞因子，以減輕炎癥反應，促進損傷脊髓修復和神經功能恢復，顯著改善SCI患者的神經功能缺失[1]。因而了解BMSCs的獲取和生物學特性，將有助于更好地提出治療SCI的新策略，本文將就此作一綜述。

1 SCI的病理機制

SCI通常包括原發性損害和繼發性損害。原發性損害一般發生在急性脊髓損傷當時，是作用于脊髓的機械暴力，如剪切、撕裂、壓迫以及挫裂等，直接造成神經細胞死亡、軸突斷裂和血管破裂等即刻產生，不能預計、不可控制的損傷。在原發性損傷之后數分鐘，引起一系列生物化學反應，進一步演化為繼發性損傷，其可持續數周或數月乃至數年[2]。繼發性損傷包括壞死、梗死、興奮性毒害作用、再灌注損傷、凋亡、軸突瓦解、膠質瘢痕形成、軸突生長抑制分子產生等[3]。目前的研究表明造成脊髓損傷修復困難的原因主要有以下幾點[4-6]： (1) 缺乏支持軸突延長的基質——脊髓空洞的形成會擴大到相鄰的脊髓節段，形成一個影響修復的物理屏障。(2) 缺乏必要的神經營養支持——神經細胞的存活及分化需要神經營養因子的支持，而脊髓損傷后自身神經營養因子(如腦源性神經營養因子和神經生長因子等)的上調水平遠低于外周神經系統。(3) 損傷區域髓鞘和細胞抑制因子的存在——損傷部位的少突膠質細胞崩解后會產生多種髓鞘相關抑制分子，如Nogo跨膜蛋白，髓鞘相關蛋白和少突膠質細胞髓磷脂糖蛋白等，這些抑制因子能與殘余軸突細胞膜上的受體結合，通過信號轉導抑制軸突再生。(4) 成熟神經元再生能力有限。(5) 免疫炎癥反應是脊髓繼發損傷的重要因素。SCI后中性粒細胞可通過血腦屏障進入損傷部位，產生氧化酶和蛋白水解酶，這些物質對組織修復有利但同時也對周圍組織造成損傷。小膠質細胞在SCI后也會很快被激活，進入受損部位，釋放白介素1、一氧化氮、活性氧和腫瘤壞死因子等，從而導致少突膠質細胞凋亡，加速髓鞘的脫落。(6) 損傷區域周圍膠質瘢痕的形成。脊髓損傷部位周圍的星形膠質細胞活化及大量增殖，會形成膠質瘢痕。膠質瘢痕一方面對中樞神經受損軸突的再生產生直接的物理隔離； 另一方面，它也釋放多種蛋白聚糖，這些蛋白聚糖通過和蛋白酪氨酸磷酸酶受體及LAR相互作用，可抑制軸突再生。

2 BMSCs的獲取及其生物學特性

Friendenstein等[7]在1987年發現塑料培養皿中貼壁的骨髓單個核細胞可在一定條件下分化為軟骨細胞、成骨細胞、脂肪細胞和成肌細胞，而且這些細胞經過20～30個培養周期后，仍能保持多向分化特性。1999年Pittenger等[8]從骨髓中分離出成纖維樣貼壁細胞，發現這些細胞在體外不同分化誘導條件下，可以分化為中胚層的多種細胞，如成骨細胞、脂肪細胞、肌腱細胞、肌肉細胞和骨髓基質細胞，并且克隆化得到的細胞具有類似的分化特性。鑒于這些細胞最終都可分化為多種中胚層來源的間質細胞，因此將其稱為間充質干細胞(mesenchymal stem cells,MSCs)。而BMSCs則是來源于骨髓的間充質干細胞，因其在骨髓組織中含量豐富，取材方便，分離培養較為容易，可進行自身移植，無需擔心免疫排斥，BMSCs被認為是目前最具有應用前景的一類MSCs。研究發現，BMSCs在培養分化過程中呈現出貼壁性、可塑性、異質性、自我更新、快速形成克隆、可移植性等生物學特征[9]。BMSCs是來源于中胚層的具有高度自我更新能力和多向分化潛能的一種干細胞，它除了具有較強的自我更新和增殖、分化潛能外，還具有較大的可塑性。在適宜的體內或體外環境下，BMSCs不僅可以分化為中胚層的間質組織，并且具有向內、外胚層組織的分化潛能，可分化為神經細胞，肝臟、肺臟、上皮細胞和血管等，這些研究結果提示BMSCs在中樞神經系統損傷修復中具有一定的治療前景。

BMSCs對免疫具有調節作用，可抑制多種免疫細胞的活性，如抗原呈遞細胞、T淋巴細胞和B淋巴細胞等[10-11]。研究表明，BMSCs可通過上調T細胞數量發揮其免疫調節移植作用[12]，還可抑制自然殺傷細胞誘導分化的T淋巴細胞增殖分化，降低Th1細胞和NK細胞干擾素的分泌水平，提高Th2細胞分泌白介素4的能力[13]。同時，BMSCs也可抑制樹突狀細胞誘導的淋巴細胞增殖，該抑制作用與BMSCs的細胞數量呈正相關性[14]。

BMSCs能夠分泌多種神經營養因子、細胞因子和趨化因子，從而調節損傷局部的微環境，刺激內源性干細胞的增殖和分化，減低炎癥反應，促進受損組織的修復。在BMSCs與成神經瘤細胞共培養的體系中，腦源性神經營養因子(BDNF)和神經生長因子(NGF)的表達水平被上調。靜脈移植BMSCs可增加BDNF、NGF和成纖維細胞生長因子2的水平，減低局部缺氧腦區凋亡細胞的數量，而增加同側室下區有絲分裂細胞的數量。BMSCs可通過分泌腦鈉肽減輕神經組織水腫，以改善局部循環而促進組織修復[15]，還可通過分泌肝細胞生長因子促進少突膠質細胞的增殖分化以及髓鞘的形成[16]。以上研究表明，BMSCs通過旁分泌途徑對損傷區域微環境的調節作用較其自身分化能力更具有臨床意義，BMSCs所產生的適宜軸突生長的環境可促進受損組織的修復。

3 BMSCs在SCI修復中的應用

脊髓損傷后神經傳導通路受損，損傷平面以下的肢體缺乏腦等上級神經元的支配，導致運動感覺功能受損甚至完全喪失。Ohta等[17]研究發現，將BMSCs移植到大鼠SCI動物模型的腦脊液中后，大部分移植的細胞都黏附于脊髓表明，僅少部分位于損傷部位，但移植細胞組的大鼠脊髓運動功能評分高于未移植組，究其原因可能跟其上調BDNF，NGF和血管內皮生長因子的表達有關。Ankeny等[18]在T8節段損傷脊髓移植骨髓間充質干細胞(BMSCs)后，發現BMSCs可引導再生的軸突通過損傷病灶重建神經通路，促進神經功能修復。Cantinieaux等[19]發現，使用BMSCs的條件性培養基(BMSC-CM)也可以促進SCI后的神經修復，改善動物的運動功能； 而Ritfeld等[20]發現，BMSCs移植后可以通過促進血管新生、保護神經軸突和促進軸突生長來改善大鼠的運動和感覺功能。這些研究發現為BMSCs進入臨床治療打下了理論基礎和依據。

4 展望

BMSCs已經在許多疾病(如中風、帕金森病和肝移植等)的治療中顯現巨大的潛力，其強大的分化增殖能力及自身的特殊免疫特性，使得BMSCs能夠安全有效地修復損傷的組織。理想的修復SCI的方法必須具備抗炎、抗細胞凋亡，減少損傷部位瘢痕形成及促進神經再生等多種功效。雖然BMSCs的臨床應用目前還尚處于起步階段，還有許多問題有待解決(如BMSCs的分離、篩選、體外擴增及獲得效率； BMSCs移植數量及時間窗； BMSCs移植的遠期療效及并發癥等)。但是，BMSCs具有的向神經細胞分化的能力、抗炎癥作用和促存活能力，為其用于SCI的治療提供了保證。深入研究BMSCs在SCI修復中的作用，將有助于開發出一條安全有效的SCI治療策略。

參考文獻：

[1] Fehlings MG,Vawda R.Cellular treatments for spinal cord injury: the time is right for clinical trials[J].Neurotherapeutics,2011,8(4):704-720.

[2] Tator CH,Fehlings MG.Review of the secondary injury theory of acute spinal cord trauma with emphasis on vascular mechanisms[J].J Neurosurg,1991,75(1):15-26.

[3] Vawda R,Fehlings MG.Mesenchymal cells in the treatment of spinal cord injury: current & future perspectives[J].Curr Stem Cell Res Ther,2013,8(1):25-38.

[4] Olson L.Combinatory treatments needed for spinal cord injury[J].Exp Neurol,2013,248:309-315.

[5] York EM,Petit A,Roskams AJ.Epigenetics of neural repair following spinal cord injury[J].Neurotherapeutics,2013,10(4):757-770.

[6] Gimenez Y,Ribotta M,Gaviria M,et al.Strategies for regeneration and repair in spinal cord traumatic injury[J].Prog Brain Res,2002,137:191-212.

[7] Friedenstein AJ,Chailakhyan RK,Gerasimov UV.Bone marrow osteogenic stem cells: in vitro cultivation and transplantation in diffusion chambers[J].Cell Tissue Kinet,1987,20(3):263-272.

[8] Pittenger MF,Mackay AM,Beck SC,et al.Multilineage potential of adult human mesenchymal stem cells[J].Science,1999,284(5411):143-147.

[9] Forostyak S,Jendelova P,Sykova E.The role of mesenchymal stromal cells in spinal cord injury, regenerative medicine and possible clinical applications[J].Biochimie,2013,95(12):2257-2270.

[10] Cho DI,Kim MR,Jeong HY,et al.Mesenchymal stem cells reciprocally regulate the M1/M2 balance in mouse bone marrow-derived macrophages[J].Exp Mol Med,2014,46：e70.

[11] Ribeiro A,Laranjeira P,Mendes S,et al.Mesenchymal stem cells from umbilical cord matrix, adipose tissue and bone marrow exhibit different capability to suppress peripheral blood B,natural killer and T cells[J].Stem Cell Res Ther,2013,4(5):125.

[12] Castro-Manrreza M,Mayani H,Monroy-Garcia A,et al.Human mesenchymal stromal cells from adult and neonatal sources: a comparative in vitro analysis of their immunosuppressive properties against T cells[J].Stem Cells Dev,2014,23(11):1217-1232.

[13] Yi T,Song SU.Immunomodulatory properties of mesenchymal stem cells and their therapeutic applications[J].Arch Pharm Res,2012,35(2):213-221.

[14] Aggarwal S,Pittenger MF.Human mesenchymal stem cells modulate allogeneic immune cell responses[J].Blood,2005,105(4):1815-1822.

[15] Song S,Kamath S,Mosquera D,et al.Expression of brain natriuretic peptide by human bone marrow stromal cells[J].Exp Neurol,2004,185(1):191-197.

[16] Bai L,Lennon DP,Caplan AI,et al.Hepatocyte growth factor mediates mesenchymal stem cell-induced recovery in multiple sclerosis models[J].Nat Neurosci,2012,15(6):862-870.

[17] Ohta M,Suzuki Y,Noda T,et al.Bone marrow stromal cells infused into the cerebrospinal fluid promote functional recovery of the injured rat spinal cord with reduced cavity formation[J].Exp Neurol,2004,187(2):266-278.

[18] Ankeny DP,McTigue DM,Jakeman LB.Bone marrow transplants provide tissue protection and directional guidance for axons after contusive spinal cord injury in rats[J].Exp Neurol,2004,191(1):17-31.

[19] Cantinieaux D,Quertainmont R,Blacher S,et al.Conditioned medium from bone marrow-derived mesenchymal stem cells improves recovery after spinal cord injury in rats: an original strategy to avoid cell transplantation[J].Plos One,2013,8(8):e69515.

[20] Ritfeld GJ,Nandoe Tewarie RD,Vajn K,et al.Bone marrow stromal cell-mediated tissue sparing enhances functional repair after spinal cord contusion in adult rats[J].Cell Transplant,2012,21(7):1561-1575.