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神经干细胞移植治疗脑出血,促进神经功能恢复

脑出血危害巨大,其发病率、致残率、死亡率一直居高不下,目前内科及外科治疗对于改善长期预后仍存在争议。神经干细胞(NSCs)移植作为新兴的治疗方式,移植分化后能够有效替代神经元发挥功能,同时还可以发挥抗炎症、抑制凋亡作用,是目前最有希望攻克脑出血的疗法。本文从神经干细胞来源、干细胞移植方式、神经干细胞修复神经损伤的机制、神经干细胞治疗脑出血的临床研究进展及神经干细胞移植治疗希望与挑战几个方面进行综述。

神经干细胞移植在治疗脑出血中的应用研究进展

神经干细胞的来源

目前用于损伤修复的神经干细胞根据来源可分为体内来源与体外来源。 无论是激活体内休眠神经干细胞还是移植体外来源神经干细胞,都可以通过分泌神经生长因子、改善出血后神经元生长微环境来抑制炎症损伤,并可分化为神经元来修复受损区 域丢失的神经功能。

体内来源的神经干细胞

早期的观念认为神经干细胞仅存于胚胎时期,神经损伤后亦无法再生。但随着一系列研究展开,终于找到了神经干细胞存在于成年个体内的证据。

1992年,Reynolds和Weiss从成年小鼠大脑的纹状体获得了一种自我更新和多分化的细胞,称为神经干细胞。后续研究者发现不仅是哺乳动物、 鸟类、也包括人类,体内都存在神经干细胞,他们可以定向迁移与增殖分化。目前认为神经干细胞在脑内主要存在于海马齿状回、室管膜下区,也是神经干细胞研究重点关注区域。

在多项针对脑出血患者血肿周围组织进行的检验中发现有神经再生迹象,还有研究发现脑出血后可通过重复经颅磁刺激增强经由丝裂原活化蛋白激酶信号通路促进神经干细胞增殖和分化的过程。这种驱使体内神经干细胞迁移分化的干细胞来源称之为体内来源干细胞,该类来源干细胞不存在免疫排斥反应, 也无成瘤风险,是一种安全的疗法。

随着研究深入进行,对于体内究竟是何种刺激因素诱导内源性神经干细胞分化这一问题还没有确切结论。并且体内来源神经干细胞数目有限,从特定区域迁移至病灶难度大,目前并不是神经干细胞移植治疗脑出血的主流选择。 

体外来源的神经干细胞

体外神经干细胞主要来源于原代组织培养分化、多能干细胞分化或者是体细胞转分化。显微解剖技术的发展使得位于胚胎组织中的神经干细胞分离难度较低,在早期已进行了大量探索。但位于成年个体中的神经干细胞分离却并不容易。

赵全军等通过改进原代培养方法从急性颅脑损伤患者废弃脑组织之中提取到了神经干细胞,并成功诱导其分化为神经元,这些成就都提示原代组织培养神经干细胞是完全可行的,但是需要解决细胞获得率与定向分化转化率较低的问题,同时还要能够保证神经干细胞稳定传代,避免发生变异,尽可能减轻老化。

多能干细胞虽然已经失去了发育为完整个体的能力,却可以分化为多种细胞,其中就包括了神经干细胞。目前多能干细胞主要从胚胎组织分离或者通过体细胞核转移技术获得,从胚胎组织中获取多能干细胞用于神经干细胞分化面临伦理及免疫排斥反应问题,因此目前尚不可作为神经干细胞来源的最佳选择。

神经干细胞移植治疗脑出血的方式

目前神经干细胞移植主要是依赖于颅内立体定向注射、经脑脊液途径移植、血管内注射这3种方式。 

立体定向注射

立体定向注射通过直接向血肿腔内注射神经干细胞悬液完成,是所有方式中最为直接的,但是血肿腔内血液降解毒性作用以及活化的小胶质细胞都有可能导致神经干细胞死亡,虽然在体外培养结果中显示神经干细胞可以有效分化,但是在体内分化结果并不理想,这也有可能与局部神经干细胞密度过大不利于分化有关;有学者提倡在注射的同时可以加入神经营养因子促进神经干细胞的存活,但是具体应用效果还有待进一步验证。

经脑脊液途径移植

经脑脊液途径移植包括腰椎穿刺注入蛛网膜下腔、脑室穿刺注射以及枕大池穿刺移植。腰椎穿刺途径将神经干细胞直接注入蛛网膜下腔,干细胞经脑脊液循环散布于脑内;脑室穿刺则是将神经干细胞悬液直接注入侧脑室, 可以经脑脊液循环迅速遍布脑室及脑组织,同时可以通过向脑脊液中分泌某些因子刺激内源性神经干细胞增殖活化。经枕大池注射既往仅见于动物模型,易损伤脑干,尚未见应用于临床的报道。 

血管内注射

血管注射分为经动脉注射与经静脉注射,静脉注射神经干细胞需要经过全身循环,细胞损耗多,研究显示较多神经干细胞存留于肝脏和肺。但是在理论上可以通过多次注射提高神经干细胞存活率,动脉注射多选用颈动脉注射,可以直接入脑,但是操作难度高,并且由于局部干细胞聚集有导致血栓形成的风险。

无论是经脑脊液途径移植还是经血管注射,由于缺乏靶向引导,同时还需要跨过血脑屏障,加之神经干细胞自身迁移能力弱,均不能在血肿腔内聚集大量神经干细胞,因此要解决这一问题,需要寻找合理的靶向分子来诱导神经干细胞聚集或者纳米材料等载体将其输送到特定位置发挥作用。

神经干细胞移植修复脑出血的机制

替代效

在一系列实验中,神经干细胞移植使神经功能受损状况得到了有效改善,也发现了神经干细胞移植或者迁移而来的NSCs可以正确分化为神经元和胶质细胞,有效替代失用的神经元,并与现存神经元可以形成有效的突触连接来发挥作用,这种修复机制被称为替代效应。但是后续研究发现仅依靠替代效应学说不足以解释功能改善,因为神经干细胞移植分化而来的神经元形成新的突触连接数目有限,并且新突触是否能够起到正确传递信号的作用仍值得进一步研究。 

旁观者效应

神经干细胞移植通过分泌营养因子可以减少宿主细胞的死亡,通过增强内源性修复机制诱导宿主大脑重塑, 促进血管新生和减轻炎症,这种神经修复作用称为旁观者效应。部分研究发现上述神经保护作用可能是通过神经干细胞外泌体实现,外泌体是一种包含了复杂RNA和蛋白质的囊泡结构,神经干细胞外泌体包含了多种神经生长因子与RNA,正是这些物质起到了调节作用。

Rong等证实神经干细胞外泌体可通过促进自噬减少神经元凋亡,同时抑制炎症。此外,在小鼠脑出血模型中,研究者发现通过基因修饰导致神经干细胞过表达脑源性神经营养因子、胶质细胞源性神经营养因子、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1和血管内皮生长因子时,可以显著促进脑出血小鼠神经功能的恢复,这可能与促进血管新生、逆转血脑屏障损伤、减轻脑水肿有关,但具体机制还有待进一步探究。

神经干细胞移植治疗脑出血的临床研究进展

2014年,基因分子研究中心发表了一篇神经干细胞鞘内移植治疗脑出血的疗效及安全性的文章[1]。

研究旨在探讨神经干细胞鞘内移植治疗脑出血的疗效和安全性。我们在脑出血后7天通过腰椎穿刺将4.0×10(8)个神经干细胞移植到蛛网膜下腔,每周两次,共4次。在第1、7、14、21和28天进行NIHSS评分和脑CT扫描来评估患者的神经功能和血肿周围病灶体积。

结果:我们发现治疗后NIHSS评分和血肿周围病灶体积显着减小。第14天。治疗前后组内及组间比较差异均有极显着性(P<0.05)。除少数患者出现短暂发热和寒战外,无不良反应。我们的数据表明,使用神经干细胞鞘内移植治疗脑出血是安全有效的。

2019年,国际期刊杂志《干细胞转换医学》发表一篇稳定的脑内神经干细胞移植治疗缺血性中风引起的瘫痪的综述[2]。

在这项单中心I期研究中,我们评估了NSI-566(NSI-566是一种稳定的原代贴壁神经干细胞系,源自单个人类胎儿脊髓,并通过表观遗传扩增,无需进行基因修饰。该细胞系正在美国进行临床试验,用于治疗肌萎缩侧索硬化症和脊髓损伤)移植治疗慢性运动性中风所致偏瘫的可行性和安全性,并确定了未来试验的最大耐受剂量。

在为期12个月的随访中,9名参与者的平均Fugl-Meyer运动评分(FMMS,总分100分)提高了16分,平均MRS提高了0.8分,平均美国国立卫生研究院卒中量表提高了3.1分。在随访24个月的六名参与者中,这些平均变化保持稳定。所有剂量的治疗都具有良好的耐受性。纵向核磁共振成像研究显示,所有九名患者都有新神经组织形成空洞填充的迹象。虽然这是一项小型的单臂可行性研究,但结果令人鼓舞,值得进一步研究。

神经干细胞治疗脑出血的希望与挑战

自发性脑出血是危害人类健康的重要疾患,当前无论是内科保守治疗还是外科手术治疗对于改善远期预后都仍存在争议,因为在自发性脑出血疾病进程中有相当数量的神经元损伤,这一损伤在目前技术条件下难以修复。动物实验及细胞实验证实神经干细胞移植对于脑出血有良好的治疗效果,不仅是能替代损伤细胞发挥功能,还具有抗炎、抗凋亡作用。由此可见神经干细胞移植治疗脑出血,促进神经功能恢复

体内来源神经干细胞进行神经修复是一种安全的选择,但是如何高效利用体内有限的神经干细胞进行迁移分化是今后需要重点关注的问题,需要探索神经干细胞迁移及分化的有效刺激因素。缺失的神经元仅仅依靠自身的修复作用很难完成再生,因此有必要借助外来神经元进行修复以期恢复神经组织功能。 

体外来源神经干细胞移植进行脑出血后治疗是目前研究的主流,表皮细胞生长因子和碱性成纤维细胞生长因子联合应用于无血清悬浮培养法可以在短期内培养出大量神经干细胞,保证了干细胞来源。随着研究深入,研究者发现联合血肿清除与干细胞移植较单一方式治疗脑出血效果更佳,这也开辟了新的治疗途径。

  • 鉴于临床前研究取得了较好效果,移植神经干细胞的临床试验也在逐步展开,但似乎目前主要以缺血性脑卒中为主,对于神经干细胞移植治疗脑出血的确切效果需要等待将来更多的临床试验来证明。

除此之外,还需要考虑神经干细胞移植时机、移植方式、定向诱导分化、免疫反应以及伦理问题。但是,尽管不确定因素较多,神经干细胞移植治疗脑出血仍是目前最有希望攻克这一难题的方式。

参考资料:

[1]:Xue YZ, Li XX, Li L, Pang SL, Yao JG, Hao PL. Curative effect and safety of intrathecal transplantation of neural stem cells for the treatment of cerebral hemorrhage. Genet Mol Res. 2014 Oct 20;13(4):8294-300. doi: 10.4238/2014.October.20.5. PMID: 25366723.

[2]:Guangzhu Zhang, Ying Li, James L. Reuss, Nan Liu, Cuiying Wu, Jingpo Li, Shuangshuang Xu, Feng Wang, Thomas G. Hazel, Miles Cunningham, Hongtian Zhang, Yiwu Dai, Peng Hong, Ping Zhang, Jianghong He, Huiru Feng, Xiangdong Lu, John L. Ulmer, Karl K. Johe, Ruxiang Xu, Stable Intracerebral Transplantation of Neural Stem Cells for the Treatment of Paralysis Due to Ischemic Stroke, Stem Cells Translational Medicine, Volume 8, Issue 10, October 2019, Pages 999–1007, https://doi.org/10.1002/sctm.18-0220

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