臍帶間充質干細胞治療老年中樞神經系統疾病的研究進展

趙璨　馮美江

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·講座與綜述·

臍帶間充質干細胞治療老年中樞神經系統疾病的研究進展

趙璨馮美江

老年人中樞神經系統損傷后自身修復能力有限,多數患者遺留有嚴重后遺癥,給本人以及家庭和社會帶來了嚴重影響。近年來,基于臍帶間充質干細胞(umbilical cord mesenchymal stem cell, UC-MSC)的細胞替代治療已成為神經修復的研究熱點之一。以往關于胚胎干細胞和骨髓源性干細胞的報道較多,而關于UC-MSC的報道較少,因此本文對UC-MSC的特性及其在治療老年中樞神經系統疾病方面的研究進展作一綜述。

1　干細胞

干細胞是一類具有自我更新能力,在一定條件下可向多種細胞類型分化的細胞群,主要包括胚胎干細胞、骨髓源性干細胞、UC-MSC等。盡管各種干細胞治療中樞神經系統疾病均具有不同程度的療效,但是胚胎干細胞存在來源及倫理學等的爭議,骨髓源性干細胞存在取材困難、增殖能力隨著年齡增長而下降等問題,限制了這些干細胞的應用。UC-MSC來源于新生兒的臍帶組織,包括華通膠(Wharton’s jelly, WJ)、血管周圍組織、羊膜組織、臍帶內膜組織等,其中臍帶WJ組織是目前大部分研究分離培養UC-MSC的來源[1-2]。UC-MSC有其特殊的優勢,與胚胎干細胞相比,其取材來自作為醫療廢物的臍帶,變廢為寶,避免了倫理學爭議,對產婦和新生兒亦無影響;與骨髓源性干細胞相比,UC-MSC取材對供者無創傷,不受供者年齡因素的影響。此外,UC-MSC分離培養簡單,擴增迅速,免疫源性較低,無致瘤性,亦可作為基因治療的細胞載體,是細胞移植治療的理想種子細胞,目前已廣泛應用于臨床多種疾病的治療[3-4]。

2　UC-MSC

2.1UC-MSC的一般生物學特性自臍帶分離和培養的UC-MSC多于24～48 h貼壁,形態多為梭形或三角形,呈成纖維細胞樣平行生長或旋渦狀生長。UC-MSC具有與其他間充質干細胞相似的細胞表面標記分子,即高表達間充質細胞表面標記分子CD73、CD90、CD105等,但不表達造血系標志物(CD34,CD45,CD14等)、內皮細胞標志(CD31、CD33等)及人白細胞抗原(human leucocyte antigen, HLA)-DR等[5]。UC-MSC表面缺乏特異性表面抗原,且只表達主要組織相容性復合體分子Ⅰ(major histocompatibility complexⅠ, MHC-Ⅰ)而不表達MHC-Ⅱ,因此其免疫源性較弱,不易引起宿主的排斥反應,有利于細胞異體移植[6]。

2.2UC-MSC向神經樣細胞分化的能力UC-MSC具有自我更新和多向分化的潛能,經誘導后可分化為各種細胞類型。研究發現,在合適的誘導環境中UC-MSC可向小膠質細胞、星形膠質細胞、神經細胞等方向分化,并表達神經元特異性蛋白[5, 7-8]。未分化的UC-MSC可自發少量表達一些神經原標志物,如神經元核抗原、神經絲蛋白以及膠質細胞標志物如神經膠質纖維酸性蛋白等,還有研究發現UC-MSC會優先向神經樣細胞分化[9]。這種多向分化潛能為UC-MSC作為種子細胞治療各類疾病提供了條件。此外已有研究證明,UC-MSC在體外長期培養傳代的惡變率較低,作為替代治療的種子細胞具有較高的安全性[10]。

2.3UC-MSC的治療方式目前干細胞治療中樞神經系統疾病的主要方式有:腦立體定位注射、鞘內注射、外周血管輸注、腹腔注射等。腦立體定位注射可將細胞直接給予至病變區域,但該方式存在創傷性,且輸注的細胞可能會在腦中存在一定的容積效應,具有一定的風險性;鞘內注射也有一定的創傷性,且往往需要反復注射;靜脈或腹腔注射相對損傷較小,病人易于接受,但通過這種方式輸注的細胞能否通過血腦屏障到達病灶區域是決定細胞治療有效性的關鍵因素之一。目前多數研究表明,外周注射的UC-MSC具有向顱腦內病灶部位遷移的能力[11-12]。

2.4UC-MSC治療神經系統疾病的機制UC-MSC在中樞神經系統疾病中發揮治療作用主要與以下幾種機制有關:(1)細胞替代作用。未分化的UC-MSC在進入人體后可定植在病變區域,部分分化為神經樣細胞替代已經衰老或死亡的原有神經細胞。也可將UC-MSC在體外定向誘導分化為特定疾病所缺失的細胞類型再用于細胞替代。(2)內分泌作用。UC-MSC在未分化的狀態下,即能表達一些營養因子,如血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)、腦源性神經營養因子、神經營養素3等。在移植入體內后,這些因子可持續表達,一方面改善局部腦內微環境,修復損傷的病灶,另一方面啟動內源性神經干細胞的激活與分化,促進神經元的存活與再生,從而發揮神經修復作用[13-14]。(3)免疫調節和抗炎作用。UC-MSC 可調節淋巴細胞、自然殺傷細胞、樹突狀細胞等,抑制局部炎性反應,減輕炎癥損傷,來發揮免疫調節和抗炎作用[4, 15]。(4)作為基因載體。UC-MSC可作為基因表達載體,移植后除細胞替代作用,還可持續表達某些基因起治療作用。

3　UC-MSC治療老年神經系統疾病的現狀

3.1UC-MSC與帕金森病(PD)PD是常見的老年神經退行性疾病之一,其主要病理變化為中腦黑質區的多巴胺能神經元進行性變性、缺失,腦內多巴胺能神經遞質分泌不足,病情會隨著年齡增加逐漸惡化。Weiss等[16]將未分化的UC-MSC 移植到6-羥基多巴誘導的PD模型大鼠紋狀體內,改善了由阿撲嗎啡誘導的旋轉行為,并發現PD大鼠黑質和腹側被蓋區的酪氨酸羥化酶陽性細胞數與其行為學的改善程度呈正相關。Xiong等[17]將VEGF載入UC-MSC,然后移植入魚藤酮誘導的PD模型大鼠的紋狀體中,發現大鼠的旋轉行為明顯改善,黑質區的多巴胺神經元喪失減少,并觀察到VEGF的表達可促進UC-MSC的神經保護作用。這些結果表明UC-MSC/基因聯合治療的療效可能更優于單獨采用UC-MSC 移植,UC-MSC今后有可能成為PD基因治療的理想載體細胞。目前國內已有機構開展將UC-MSC應用于臨床治療PD患者的工作,并發現接受移植后的患者PD綜合評分量表分值降低,部分臨床癥狀如靜止性震顫、運動遲緩等得到了一定程度的改善,但遠期療效有待進一步觀察[18-19]。國外應用UC-MSC治療PD患者的報道目前尚不多。

3.2UC-MSC與阿爾茨海默病(AD)AD是一種發生于老年期的以進行性認知和記憶功能障礙為主的中樞神經系統退行性疾病,可能與膽堿能神經元的喪失有關,目前尚無針對AD的有效治療手段[20]。Liang等[21]將UC-MSC分離并培養在含有骨形態發生蛋白4和成纖維細胞生長因子8的培養基中,發現UC-MSC在體外可經誘導分化為膽堿能樣神經元,誘導后的細胞呈球狀,可表達膽堿能神經元標志物膽堿乙酰基轉移酶,誘導后的細胞還可分泌乙酰膽堿。Yang等[22]通過磷脂酰膽堿特異性磷脂酶C的特異性抑制劑D609誘導UC-MSC分化為神經元樣細胞,并將誘導后的細胞植入AβPPswe/PS1轉基因AD小鼠模型中,觀察到移植后的小鼠β-淀粉樣蛋白沉積減少、記憶力增強,并發現這一作用與小膠質細胞活化和神經炎癥的調節有關。研究人員已經開展了關于UC-MSC作用于AD的臨床試驗 (http://clinicaltrials.gov),但目前國內外尚無關于其應用于人體后療效的明確報道。

3.3UC-MSC與腦缺血損傷缺血引起的腦損傷會導致嚴重的腦功能缺陷,UC-MSC移植為治療腦缺血損傷提供了新思路[23]。報道認為,UC-MSC對缺血性腦損傷療效顯著。Cheng等[15]將UC-MSC通過尾靜脈注射入大腦中動脈閉塞模型小鼠體內,發現其神經損害明顯減輕、腦水腫和梗死面積明顯減輕,并發現這種保護作用可能與UC-MSC通過調節TGF-β來調控Th17/Treg細胞并抑制外周炎癥因子有關。Zhu等[24]發現UC-MSC移植可促進腦卒中模型小鼠神經功能的恢復及缺血半球的血管生成,并觀察到這種保護作用可能和移植后的UC-MSC分泌VEGF有關。這些研究說明UC-MSC能夠用于腦缺血損傷的保護性治療。目前國外報道臨床應用UC-MSC治療腦缺血損傷的文獻較少,僅為個案報道。國內已有相關機構開展了UC-MSC治療腦梗死的臨床研究,有研究指出鞘內注射聯合靜脈滴注給予US-MSC對治療腦梗死后運動功能障礙療效明顯[25],但目前其他類似報道尚不多。

3.4UC-MSC與其他神經系統疾病除上述疾病外,現已有多個國家和地區將UC-MSC應用于血管性癡呆、亨廷頓病、脊髓損傷等中樞神經系統修復治療的探索中,并取得了一定程度的療效[4,26-27]。此外,國內已有一些研究將UC-MSC應用于其他系統疾病如糖尿病、系統性紅斑狼瘡等的臨床研究中,亦證實UC-MSC移植能修復和改善患者的功能[4,28-29]。

4　問題與展望

UC-MSC細胞治療技術在全世界發展日新月異,而老年人在中樞神經系統損傷后自身修復能力有限,細胞替代治療已成為目前治療神經系統疾病的重點研究領域。2009 年3 月衛生部公布第三類醫療技術目錄,其中首批允許臨床應用的第三類醫療技術目錄包括細胞移植治療技術。目前學界已經建立了較為成熟的分離、擴增UC-MSC的方法,并有較多動物模型實驗報道肯定了UC-MSC對神經系統疾病的療效,但將其應用于臨床治療老年中樞神經系統疾病還有很多問題需要解決,如明確移植適應證、禁忌證、并發癥、時間窗、遠期療效和安全性以及完善相關法律和行業規范等。盡管目前UC-MSC在臨床應用中還處于起步階段,但我們堅信隨著研究進一步深入,UC-MSC在治療老年中樞神經系統疾病領域必將展現廣闊前景。

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江蘇省“六大人才高峰”基金資助項目(2010-WS-030)

210011江蘇省南京市，南京醫科大學第二附屬醫院老年醫學科

馮美江，Email：mjfeng416@aliyun.com

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