间充质干细胞移植：脊髓损伤后的神经保护和神经再生

概述：脊髓损伤（SCI）具有高致残率和高死亡率的发病特点，是一种对患者生理和心理都具有高度破坏性的疾病，目前仍缺乏有效的治疗方法。脊髓损伤后，缺血、外周炎症细胞浸润、氧化应激等一系列继发性损伤反应形成了不利于神经恢复的微环境，最终导致神经元和胶质细胞凋亡和坏死。

近年来，间充质干细胞（MSC）移植成为一种更有前景的治疗方法。间充质干细胞可通过免疫调节、神经保护、神经再生等多种机制促进脊髓损伤修复，给脊髓损伤患者带来希望。本文探讨了间充质干细胞治疗脊髓损伤方法中的神经保护和神经再生部分。

介绍

脊髓损伤 (SCI) 是一种毁灭性的神经系统疾病，可导致运动、感觉和自主神经功能暂时或永久性损伤。据估计，过去30年来，全球SCI患病率不断增加，不同国家每百万人中有236至1298名患者。每一位SCI患者都承受着身心的双重折磨，还面临着经济困难、人际关系破裂等困难。

SCI的发病机制可分为两个阶段，第一阶段的损伤为原发性损伤（如跌倒、交通事故等），继发性损伤为继发性损伤作为一系列复杂的异常分子信号传导、炎症细胞浸润、炎症因子释放、氧化应激、血管变化和继发性细胞功能障碍分层关联反应，最终导致神经元和胶质细胞凋亡坏死，形成微环境不利于神经再生和损伤恢复的微环境，加重损伤，当损伤进入继发性损伤的慢性期时，已经形成的胶质疤痕会阻碍神经再生。SCI患者由于原发性损伤和后续损伤，会出现受伤脊髓水平以下的感觉丧失和功能缺陷，这会影响病情的严重程度。

迄今为止，尚无任何治疗方法能够正确治疗SCI并改善SCI患者的预后。甲基强的松龙除了能有效治疗 SCI 后神经炎症外，还可降低氧化应激并抑制脂质过氧化。然而，使用甲泼尼龙会导致严重的副作用，如败血症、肺炎、伤口感染和消化道出血。神经元膜中发现的糖脂分子神经节苷脂被用作治疗SCI的神经保护剂，具有多种作用，包括预防细胞凋亡和抗兴奋性毒性活性。但研究表明，神经节苷脂治疗六个月后，神经功能恢复没有差异。

间充质干细胞移植治疗脊髓损伤的前景

间充质干细胞 (MSC)具有多能性干细胞可源自多种组织，包括骨髓、脂肪、人脐带血等。间充质干细胞具有多向分化和自我更新能力，可分化为终末期细胞细胞细胞、软骨形成细胞细胞和神经元细胞在体外受到各种刺激因子和诱导培养基的影响。这些品质使得间充质干细胞在近几十年来逐渐在医学和组织工程领域受到关注，现在大量的实验已经证明间充质干细胞是一种非常有前途的材料。间充质干细胞（MSC）移植，是一种充满乐观和发展潜力的新型疗法，正是因为目前可用的抑制神经炎症和神经保护药物未达到最佳标准而发展起来。

大量研究证明不同来源（骨髓、脂肪、脐带血、牙髓等）的间充质干细胞具有治疗脊髓损伤的能力，这与类似的机制是一致的(图1）。

许多间充质干细胞移植临床试验已处于第一阶段（I/II期），其可行性和安全性已初步确定。我们将讨论间充质干细胞治疗脊髓损伤的机制，重点关注神经保护作用间质干 细胞移植的机制和神经再生机制，以便更好地了解并简化后续研究。

脊髓损伤的病理生理学

脊髓损伤（SCI）的第一阶段是原发性损伤事件，也称为原发性损伤，是脊髓因压缩、剪切、撕裂、急性拉伸/牵拉和大面积冲击等物理力而受到的损伤。此阶段受伤部位的血管破裂、渗漏，也会导致神经实质和胶质结构的损伤。

继发性损伤是脊髓损伤 (SCI) 的第二阶段，由原发性损伤事件引发，引发几乎持续整个持续时间的继发反应SCI.继发性损伤事件还通过一系列复杂且相关的级联反应，导致脊髓损伤区域不断生长，加重SCI (图2）。

 (B) 正常脊髓组织。 (C) 脊髓损伤时，神经实质和神经胶质结构受损，中性粒细胞、巨噬细胞/小胶质细胞、淋巴细胞等浸润损伤部位面积，加重脊髓损伤的化合物（炎性细胞因子、活性氧、组​​织降解酶等）浓度升高。 (D) 胶质疤痕的形成。

根据各损伤时期的独特特点，继发损伤发生分为急性、亚急性和慢性三类。受伤后，急性期持续48小时，其特征是血管功能障碍、自由基生成、钙内流增加、炎症、兴奋性毒性和神经毒性等症状。脊髓损伤如果不中断急性期，病程进入亚急性期（2-14天），表现为轴突脱髓鞘、华勒变性、轴突变性等。重塑和其他症状。随后进入慢性期，并持续到个体的余生，慢性期的特点是囊性空腔形成、轴突枯萎、神经胶质增生和细胞外基质形成后的疤痕形成基质沉积。

随着脊髓损伤的进展，病变会生长并形成囊肿，留下残留的坏死或凋亡细胞的微囊腔细胞 a>最终形成脊髓空洞，造成永久性伤害。

间充质干细胞移植

干细胞疗法已成为脊髓损伤的前沿治疗方法，一些早期临床试验表明，细胞移植通常是可行的。在众多替代细胞中，干细胞因其自我更新和多向分化的能力而备受关注，其次是选择不同的干细胞，间充质干细胞（MSCs）的特点是易分离、易保存、增殖快、免疫原性低、不涉及伦理问题。

目前，局部注射、静脉注射和鞘内注射是直接注射间充质干细胞治疗脊髓损伤最常用的三种方法。虽然鞘内和静脉注射侵入性较小，但需要大量细胞 ，到达损伤部位的间充质干细胞细胞比例较低。

局部注射可将足量干细胞直接移植到脊髓损伤部位，但可能进一步损伤脊髓，并增加伤口感染风险。在鞘内注射和静脉注射的实验中，间充质干细胞的 “归巢 “能力引起了人们的兴趣。血管内皮生长因子-A（VEGF-A）可刺激血小板衍生生长因子受体（PDGFRs），从而调节人骨髓间充质干细胞的迁移。损伤部位释放的生长因子（PDGF或IGF-1）可吸引间充质干细胞归巢，损伤部位炎症因子或趋化因子的增加也会促进这种细胞行为。然而，通过 “归巢 “移动的间充质干细胞可能会出现细胞定位失败。这可能与注射时间、剂量等有关。要确定准确的 “归巢 “机制和变量之间的关系，还需要进一步的研究。

旁分泌和定向分化是间充质干细胞修复损伤组织的两大关键功能，但在脊髓损伤模型中，旁分泌比定向分化更容易发生。间充质干细胞具有分化潜能，可在体外刺激分化成神经元细胞。为替代死亡细胞并恢复神经元传导通路的完整性，研究人员尝试将间充质干细胞移植到脊髓病变部位后，使其发育成神经元细胞和神经胶质细胞。然而，最近的研究表明，目前仍缺乏区分的证据。

现有研究表明，移植的间充质干细胞可能主要通过细胞间相互作用和旁分泌效应发挥神经保护和神经再生作用，支持脊髓损伤后的形态和功能恢复。根据对脊髓损伤动物模型的研究，接受间充质干细胞移植治疗的脊髓损伤小鼠或脊髓损伤大鼠的运动和感觉能力有所改善，并促进了后肢功能的恢复。现有数据已向研究人员证明，间充质干细胞移植治疗脊髓损伤是有效的，即使在临床试验中遇到了少数脊髓损伤患者出现不良反应（头痛、尿路感染、恶心和呕吐）以及患者人数少且不均等的挑战。

间充质干细胞治疗脊髓损伤：神经保护

神经保护是指通过减轻和减弱继发性损伤中的特定事件，保护损伤部位及周围神经元的结构和功能免受进一步损伤，以降低损伤发生率、减轻损伤程度。在脊髓损伤的急性和亚急性期，神经保护是至关重要的治疗目标，也是应尽快落实的第一道防线。根据次级级联反应中的不同事件，抗炎、抗氧化、抗凋亡、抗兴奋性毒性和通道阻断可以作为神经保护的突破点。

随着研究进展，间充质干细胞对脊髓损伤的治疗作用越来越受到关注，因为它们表现出显着的自分泌和旁分泌活性，发挥抗炎和抗氧化作用，预防神经退行性变和细胞凋亡，促进轴突和髓磷脂再生，防止血管损伤，增强血管生成(图3）。

图3：间充质干细胞具有抗炎作用（促进M2巨噬细胞的极化，减少IL-7、IFN-和TNF-等促炎因子的表达，并增加抗炎因子如IL-4和IL-13的表达；抗氧化剂（清除自由基、增强宿主抗氧化防御、改变细胞生物能学）；抗凋亡（分泌各种保护因子、降低caspase-9和caspase-3蛋白水平等）；促进血运重建（各种生长因子的分泌，修复新生血管的密度增加）。

间充质干细胞治疗脊髓损伤：神经再生

在脊髓损伤的急性和亚急性阶段，及时的神经保护可能非常有益。然而，对于慢性期患者来说，神经再生比神经保护更重要。促进损伤后轴突再生是治疗脊髓损伤慢性期的一个关键目标，因为中枢神经联系的破坏是持续功能障碍的原因之一SCI之后。脊髓损伤患者的功能恢复可能会显着改善，即使是少量的轴突再生。

轴突延长、轴突萌芽和新轴突生长、神经细胞髓鞘再生以及损伤后受损神经组织（神经元、轴突、突触和神经胶质细胞）再生和修复的其他过程都是神经再生的例子。

基于间充质干细胞的再生疗法的早期研究集中于它们在移植后分化为神经元或神经胶质细胞的能力。然而，目前缺乏MSC体内分化确凿的实验证据。尽管如此，移植的间充质干细胞仍然能够执行多种任务，例如提供营养支持、调节急性期的炎症反应以及降低疤痕组织抑制等。亚急性和慢性阶段创造有利于轴突再生的环境。神经营养因子已被证明可增强CNS神经元损伤后的生长潜力，神经营养因子（BDNF）或胶质源性神经营养因子暴露后神经元的能力增强（GDNF) 克服非许可环境是由细胞内cAMP水平升高介导的。MSCs能够分泌脑源性生长因子（BDNF）、胶质细胞源性生长因子（GDNF）、神经生长因子（NGF）、NT-1、 NT-3、CNTF和碱性成纤维细胞生长因子 (bFGF)，由此推测移植的MSC可能通过分泌神经营养因子来增强受损神经元的内在生长倾向。

除了改善内在生长倾向外，神经营养物质还可以充当抗氧化剂、抗炎剂，帮助改善现有的不良环境，而 BDNF可以对抗氧化应激，从而提高生长能力。移植间充质干细胞后星形胶质细胞产生的神经胶质疤痕也可能被改变。根据研究，将间充质干细胞移植到SCI大鼠体内可以防止神经胶质疤痕的产生，并改变反应性星形胶质细胞的形状，这两者结合为轴突再生创造了理想的微环境。

结论

脊髓损伤（SCI）是一种严重、长期且不可逆的损伤。因此，医学领域的大量学者和专业人士渴望找到安全有效的脊髓损伤治疗方法。大量临床前和临床研究已证明间充质干细胞（MSC）在治疗SCI中的有效性。 间充质干细胞治疗脊髓损伤的有效性现已通过大量临床前和临床研究得到证实。

间充质干细胞移植提供的抗炎、抗氧化、抗细胞凋亡和增加血流量可保护神经。它还可以增加内在的神经元生长潜力，增强非许可环境，并改变神经胶质疤痕以支持再生。由于间充质干细胞移植的治疗机制尚不完全清楚，而且由于细胞不准确等问题，未来的研究可能需要进一步探讨更具体的治疗机制以及更好的间充质干细胞移植方法（预处理、基因修饰和联合治疗等）存在局部化和直接细胞移植后存活率低的问题。

参考资料：Si-Yu Chen, Rui-Lin Yang, Xiang-Chong Wu, De-Zhi Zhao, Sheng-Ping Fu, Feng-Qin Lin, Lin-Yan Li, Li-Mei Yu, Qian Zhang & Tao Zhang (2023) Mesenchymal Stem Cell Transplantation: Neuroprotection and Nerve Regeneration After Spinal Cord Injury, Journal of Inflammation Research, 16:, 4763-4776, DOI: 10.2147/JIR.S428425

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