干细胞治疗脊髓损伤的机制

每年，全世界有 93 万人遭受脊髓损伤 (SCI) 并留下无法挽回的后遗症。康复是目前唯一可用的治疗方法，不能恢复受损组织；因此，患者的功能恢复仍然有限。脊髓损伤的病理生理学是异质的，这意味着潜在的治疗目标因损伤发作时间、损伤程度或脊髓损伤水平而异。

近年来，尽管基于各种类型的干细胞进行了大量临床试验，但并未有效考虑这些方面的损伤，导致试验结果困难重重。在癌症等专业领域，基于患者特征的精准医学带来了无可争辩的治疗进步。

本综述的目的是促进脊髓损伤领域精准医学的发展。在这里，我们首先描述脊髓损伤的分类、慢性期的特征和完全损伤的亚型。然后，我们详细介绍了针对每种病理状况的不同类型的干细胞疗法的适当目标和相关机制。最后，我们强调了干细胞治疗在颈椎脊髓损伤中的巨大潜力。

干细胞疗法与脊髓损伤

SCI 的病理生理学很复杂，涉及多种细胞类型之间复杂的动态相互作用，不能用一维方法治疗，即那些依赖单一作用机制的方法。由于具有复制、分化成多种细胞类型和分泌大量营养因子的能力，干细胞非常适合治疗脊髓损伤的多方面病理生理学。、

SCI 的干细胞疗法可大致分为两类。第一类涉及非神经干细胞，包括骨髓间充质干细胞 (BM-MSC)、脐带间充质干细胞 (UC-MSC) 和脂肪组织来源的间充质干细胞 (AD- MSC ) 。常采用静脉/鞘内给药，植入到受伤区域取决于归巢机制，分化成神经细胞受到限制，因此病灶的神经补充也受到限制。然而，MSCs分泌的神经营养因子已被证明对病变具有治疗作用。这类使用各种类型的 MSC 的干细胞疗法，我们将在本综述中称为支持性干细胞疗法，构成了SCI领域的绝大多数临床试验或研究。与神经干细胞相比，MSC 通常易于分离制备，这一事实在监管程序中具有巨大优势。

第二类干细胞疗法基于可以产生神经细胞的干细胞。嗅鞘细胞( OEC ) 、神经干祖细胞( NSPC ) 和源自胚胎干细胞或诱导多能干细胞的神经祖细胞( NPC）通常直接移植到受伤的脊髓中. 在该策略中，移植过程是侵入性的特殊手术，细胞的制备通常需要复杂的过程。另一方面，植入是移植细胞的预期命运，取代丢失的神经细胞并最终在功能上替代它们。在这篇综述中，这种策略将被称为负荷疗法。

脊髓损伤的分类

( A ) 残留功能组织的不完全损伤。通过常规治疗有望康复。

( B ) 假性完全损伤。无功能但可重新激活的组织（浅棕色）延伸穿过脊髓，打破了头尾功能连续性。传统治疗很难恢复。通过促进轴突伸长和促进可再激活组织中的神经活动，可以预期功能恢复。

( C ) 真正的完全伤害。无神经组织（灰色）横跨整个脊髓，在头端或尾端对周围可再激活组织的治疗无法提供功能性颅骨连接。

干细胞移植治疗脊髓损伤的作用机制

神经保护作用

干细胞能够分泌许多神经营养因子，如脑源性神经营养因子、 胶质细胞源性神经营养因子、神经生长因子和碱性成纤维细胞生长因子等，从而发挥神经保护作用，包括减少神经变性和凋亡，支持神经发生、轴突生长、髓鞘再生和细胞代谢等。当干细胞分泌神经营养因子功能受损时，对脊髓损伤的神经保护作用降低。

减轻神经营养因子

干细胞分泌的神经营养因子发挥神经保护和抗炎作用。在这方面，最佳移植窗口是在急性和亚急性期，此时细胞死亡和炎症最严重。由于神经保护和抗炎作用在移植后很快开始，因此在亚急性期干细胞移植后通常会迅速观察到实验动物运动功能的改善。

因此，免疫染色分析表明，移植的神经干细胞减少了病变区域嗜中性粒细胞和 iNOS+/MAC-2+激活的巨噬细胞的积累。RT-PCR分析也证实了在这种情况下炎症细胞因子如TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-12的下调。这表明移植细胞通过抑制损伤部位周围炎症引起的继发性损伤来促进脊髓损伤后的功能恢复。骨髓间充质干细胞也被证明可以通过分泌神经营养因子的神经保护机制和稳定血脊髓屏障，来改善SCI后的功能。因此，支持性干细胞疗法和负荷干细胞疗法中神经营养因子分泌的缓解作用似乎是一种强大的作用机制，尤其是在SCI后的急性和亚急性期。

调节神经营养因子

除了在急性和亚急性期抑制炎症和神经保护外，神经干细胞分泌的神经营养因子对神经元和星形胶质细胞具有持续的积极作用，例如，激活损伤周围残留的可再激活组织，从而将由于长期增强而稳定地发挥作用。

髓鞘再生

髓鞘再生促进疗法的前提是残余脱髓鞘和功能失调的神经纤维的功能可以通过髓鞘再生得到恢复。在支持性干细胞治疗的背景下，这种髓鞘再生策略需要功能性少突胶质细胞仍然存在。作为一种作用机制，髓鞘再生相对较慢，因为成熟的髓鞘包裹轴突的形成被认为至少需要三周。在加载干细胞疗法的情况下，必需的少突胶质细胞源自移植的干细胞，这意味着移植细胞分化成成熟的少突胶质细胞需要额外的时间。

中继机制

关于负荷干细胞治疗，所谓的中继机制是最有前途的机制，但也是最难实施的机制。例如，在运动功能的情况下，存活的上层神经元的轴突和来自移植细胞的神经元必须首先形成突触。然后，这些连接的移植物神经元必须向尾部延伸轴突并与前角神经元和/或运动相关的中间神经元形成突触。考虑到这种再生方案的复杂性，完整的概念证明仍有待建立也就不足为奇了。

颈脊髓损伤的特异性

有很多原因可以解释关于治疗颈脊髓损伤的临床相关报告的稀缺性：评估上肢功能的困难、呼吸障碍、脊髓休克，以及处理四肢瘫痪的复杂性，与伦理和护理问题相关。然而，颈脊髓损伤占脊髓损伤的60%并代表更严重的临床状况，因为它们会影响上肢和下肢。在脊髓损伤中，社会对治疗的需求最高的是颈脊髓损伤。同时，在颈髓中，上肢受神经支配的肌肉在每个髓段上分离得比较清楚。此外，由于上肢比下肢具有更多功能，ADL完全不同，具体取决于残疾程度（图2A）。例如，如果功能范围扩展到C6，则可以驾驶汽车。颈脊髓的分段功能化是最有希望的目标，因为重要的治疗结果，例如临床试验中的ADL，可以通过相关髓段的轻微移动来实现。

( A ) 不同程度颈脊髓损伤的预期日常生活活动 (ADL) 子类别。与胸椎和腰椎损伤不同，脊柱损伤水平的细微差异会增加独立的 ADL。

( B ) 真正的完全性颈髓损伤。神经区穿过脊髓（灰色），但它周围的可再激活组织（浅棕色）仍然存在。随着可重新激活的组织因干细胞治疗而变得有功能，患者的ADL有望增加。

我们已经提到假完全损伤的存在，其中一些无功能但可重新激活的组织仍然存在，即使在功能完全损伤中也是如此。颈脊髓损伤包括不完全性损伤、假性完全性损伤和真性完全性损伤。如前所述，在不完全性和假性完全性损伤中，干细胞治疗的机制预计主要涉及组织再激活神经营养因子。例如，在MRI上观察到残留组织的ASIAA级患者，即对应于假性完全损伤，通过施用BM-MSCs改善了受伤尾侧的功能。当考虑真正的胸腰椎脊髓完全损伤时，病变处没有神经组织，干细胞治疗的功能恢复完全取决于中继机制。相比之下，在真正的颈髓完全损伤中，功能性髓质水平预计会通过使损伤颅侧的可再激活组织功能化而扩大，这将直接导致ADL改善（图2B）。

对于真正的完全损伤的再生治疗，通常的目标是恢复损伤尾侧的功能。然而，在颈髓真正完全损伤的情况下，应以适当的主要目标评估临床试验的成功，例如损伤颅侧功能水平的扩展和伴随的ADL增加。

与改良康复相结合

已经针对SCI进行了多项临床试验，但迄今为止，只有与康复相关的试验取得了有益的结果。关于与干细胞疗法联合治疗的比较临床报告很少，因为在没有康复的情况下治疗SCI患者在伦理上是困难的。作为一项实验研究，据报道，慢性期胸部SCI小鼠的NSPC移植和常规跑步机康复证明了后肢的功能恢复，表明在腰椎增大方面具有协同作用。已经报道了旨在调节神经回路的改良康复。对周围神经进行干预相对容易，并且已经开发出用于功能性电刺激 (FES) 的可穿戴设备。FES检测肌肉的轻微收缩并将其转化为较大的刺激，输入和输出的重复循环增强了神经回路。Robot Suit HAL（混合辅助肢体）使用外骨骼扩展这种反馈，并将肌电图转换为机械输出以支持关节运动并通过来自感觉输入的反馈增强神经回路。此外，如上所述，神经可塑性不仅存在于病变区域周围，还存在于上级神经回路周围，并且有研究描述了使用脑电图的神经反馈的有效性。由于通过常规康复实现了协同效应，因此将在未来的研究中描述干细胞疗法与神经反馈康复的组合方案。

结合电/磁刺激

电/磁刺激疗法以及干细胞疗法最近受到广泛关注。不同类型的刺激已应用于治疗SCI：经颅磁刺激、治疗性电刺激、周围神经电刺激、经皮神经电刺激、硬膜下电刺激、硬膜外电刺激、硬膜下电刺激、深部脑刺激和模拟经颅磁刺激的脑表面硬膜外电刺激.在硬膜外电刺激、硬膜下电刺激、椎管内电刺激等直接刺激脊髓的方法中，刺激脊髓输入输出回路，促进姿势和用力强度的调整，恢复自发运动控制。

SCI的并发症，如屈肌痉挛、反射亢进和痉挛，也可能是由于损伤后失去皮质输入的运动神经元的不适当侧芽和突触增生引起的。电刺激可能会充分激活运动神经元并抑制这种过度的传入突触发生。最初，这些电刺激治疗被认为可以修改和改善剩余的神经回路。然而，有报道称电刺激对ASIAA（完全损伤）患者有效，表明无功能但可重新激活的组织也被激活。有报告描述了磁刺激和干细胞疗法的联合作用，并且预计这些刺激与干细胞疗法会产生协同效应。

结论

通过针对受伤区域周围的非功能性可再激活组织，可以预期干细胞治疗的不同再生机制，即使没有直接移植到受伤区域。此外，由于颈椎SCI的治疗具有很高的社会需求，并且根据其病理学可能有效，因此有必要以适当的目标进行研究。