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干细胞疗法修复中枢神经系统创伤:4个原则—什么、何时、何地和为什么

中枢神经系统 (CNS) 创伤是影响数百万人的全球性健康问题。中枢神经系统创伤,即创伤性脑损伤 (TBI) 和脊髓损伤 (SCI),会导致大量进行性细胞损失和轴突变性,通常再生能力非常有限。

目前,尚无治疗方法来保护受伤的CNS组织或替换丢失的组织。干细胞是一种可以自我更新并产生多种细胞谱系的细胞类型。

近年来,使用干细胞和祖细胞的疗法在实验性中枢神经系统 创伤中显示出良好的效果,特别是在急性-亚急性阶段,但也适用于慢性损伤。然而,移植细胞实现结构和/或功能改善的治疗机制通常尚不清楚。用于中枢神经系统创伤的干细胞疗法可分为两个主要概念,即外源性神经干细胞和神经祖细胞的移植以及内源性干细胞和祖细胞的募集

在本综述中,我们总结了创伤性脑损伤和脊髓损伤的病理学和病理生理学。在此基础上,我们讨论了针对这些损伤的主要干细胞疗法类型、可能的机制、内源性干细胞的作用以及已知的治疗时间和部位。最后,我们讨论了未来研究的重点

干细胞疗法修复中枢神经系统创伤:4个原则—什么、何时、何地和为什么

介绍

脑和脊髓创伤影响着全世界数百万人,往往会给患者和家属带来严重后果。根据2016年全球疾病负担研究,2016年创伤性脑损伤 (TBI) 发病率为2710万 (2430-3030万),脊髓损伤 (SCI) 发病率为93万 (780-120万),而TBI和SCI的患病率分别为5550万 (5340-5760 万) 和2700万 (2500-3110万)。

因此,尽管TBI比创伤性SCI更常见,但TBI的年龄标准化患病率仅为SCI的两倍。此外,由于TBI的死亡率高于SCI,TBI患者的“带残生存年数”略少于SCI(810万vs950万),这表明SCI对患者、看护者和医疗保健系统的长期负担可能超过TBI。尽管过去几十年在护理和支持方面取得了非常重要的进展,但我们仍然没有任何治疗方法可以有效地预防创伤后的损伤过程或替换丢失的组织。然而,细胞疗法的发展带来了希望,这种情况可能会在不久的将来改变。

在这篇综述中,我们将讨论如何使用干细胞治疗创伤性脑损伤干细胞治疗脊髓损伤,以及这两种损伤的特点将如何影响开发治疗的策略

中枢神经系统创伤的症状和病理

严重的中枢神经系统 (CNS) 创伤会对多种关键功能产生重大影响。

每个人的TBI症状取决于受伤部位,但总体而言,严重TBI患者表现出广泛的运动、感觉、记忆、认知、执行、情绪、精神和交流症状,严重情况下甚至会昏迷

SCI患者在受伤水平以下会完全或部分丧失运动和感觉功能,并出现不同程度的肠道和膀胱失禁、性功能障碍、自主神经反射异常、痉挛和神经源性疼痛

TBI和SCI在急性期早期(0-2天)导致细胞坏死。神经元和神经胶质细胞的原发性变性是由于组织中的神经和血管结构因撕裂、出血、缺血、水肿和血脑屏障或血脊髓屏障受损而破坏所致。在急性期,会出现第一波炎症细胞,然后在亚急性期(2-14天)发生继发性变性。继发性变性是由细胞成分的释放、急性炎症和缺血引发的。一系列退化过程(例如活性氧的释放、谷氨酸毒性、促凋亡细胞因子的释放)会导致进行性退化。因继发性变性造成的组织损失通常超过原发性变性。这与大多数治疗策略有关,因为如果预防退化级联,受影响的组织有可能得到挽救。

因此,它们很难成为治疗目标。然而,在慢性期,环境主要是有害的,这使得开发不干扰内源性修复机制的疗法(包括细胞疗法)变得更加容易。

中枢神经系统创伤的部位

讨论细胞治疗策略时,组织病变的位置至关重要。脊髓损伤主要是一种局部损伤,而中度至重度创伤性脑损伤是一种多灶性损伤,影响大脑的整个范围,并有多个退化部位(图1)

SCI类似,TBI的损伤部位也有局部损伤(“撞击”),导致原发性和继发性退化。然而,TBI的退化挫伤部位往往更多,而且通常发生在原发性挫伤的对侧(“对冲”),因为大脑会撞击颅骨内表面并发生变形。颅骨的撞击导致压力波迅速穿过大脑,导致对冲部位出现明显的负压,即所谓的对冲空化,从而导致广泛的退行性变化。

此外,由有害的加速/减速力和神经元和神经胶质结构剪切引起的弥漫性轴突损伤 (DAI) 会导致白质发生广泛的退行性变化,通常与长时间昏迷有关。因此,严重TBI后的死亡率相对较高,而SCI患者通常可以存活。重要的是,TBI和SCI中的组织损失是原发性和继发性退化的综合结果。

图1:创伤性脑损伤和脊髓损伤病理示意图。
图1:创伤性脑损伤和脊髓损伤病理示意图。

在严重TBI中,通常有多个实质损伤区域,原发性变性位于撞击部位(1)

以及通常与撞击相反的其他部位(2)。

除了因原发性变性导致的细胞全坏死外,靠近原发性变性的受损组织中还发生继发性变性,表现为轴突损伤(3)和神经元凋亡和坏死。在更远处的白质中,DAI伴有轴突变性(3)

或脱髓鞘(4)。

相反,即使是严重的 SCI 也主要局限于一个部位,中央区域全坏死,经过该区域的上升和下降轴突变性(5)

继发性变性发生在相邻组织中。受逆行变性影响的轴突,病变核心附近的大量轴突表现出广泛的脱髓鞘(6)

中枢神经系统创伤的潜在细胞疗法

中枢神经系统创伤是目前无法治愈的疾病,哺乳动物中枢神经系统的再生潜力有限。由于干细胞具有自我更新和分化为多种细胞谱系的潜力,干细胞疗法已成为开发中枢神经系统创伤治疗的主要策略之一。但哪种疗法最有潜力呢?在干细胞治疗领域,有两种主要策略得到了广泛的研究:

(1)干细胞/祖细胞移植(外源性)和

(2)招募常驻干细胞和祖细胞(内源性)。由于大多数研究集中在急性/亚急性期,我们将首先讨论在此阶段进行的不同干细胞疗法的优缺点,然后讨论慢性损伤的治疗方法。

干细胞移植治疗中枢神经系统创伤的疾病

30多年来,细胞移植作为中枢神经系统创伤的一种可能治疗方法已被广泛研究。潜在的假设是,移植细胞

(1) 分化为功能性神经元和神经胶质细胞、替代丢失的组织并恢复功能网络,或

(2) 提供抑制退化、修复受损中枢神经系统微环境或增强再生的因子(图2)。

正如我们将在下文中讨论的那样,干细胞和祖细胞理论上可以通过多种机制使受损的中枢神经系统受益。神经干细胞 (NSC) 和神经祖细胞 (NPC) 已被证明可以分化和替换丢失的细胞。释放生长因子以提高宿主细胞在受伤后的存活率和/或增强再生是干细胞的共同特征,调节免疫机制的能力也是如此。为了继续开发更有效的细胞疗法,重要的是理清不同的作用机制,并确定哪些机制对治疗效果很重要。

图2:神经祖细胞 (NPC) 的潜在影响说明
图2:神经祖细胞 (NPC) 的潜在影响说明

源自胚胎干细胞 (ESC)、诱导性多能细胞 (iPSC) 和胚胎胎儿脑的 NPC均具有这种影响。源自这些来源的所有NPC均具有分化为神经元、少突胶质细胞和星形胶质细胞的能力。

所有研究的干细胞/祖细胞都具有表达和可能/已证实释放各种生长因子 (1) 的共同点,内源性星形胶质细胞 (2) 也会出现这种情况。生长因子的释放可以支持受损的神经元 (3) 并增强轴突再生 (4)。来自分化NPC的神经元有可能连接受伤区域,在退化区域传递神经元信号 (5),而NPC衍生的少突胶质细胞可以使脱髓鞘轴突重新髓鞘化 (6)。所有内源性细胞均以灰色表示,而移植的NPC及其分化后代则根据细胞类型以颜色表示。

治疗中枢神经系统创伤的干细胞有哪些?

  • 胚胎和胎儿神经干细胞和祖细胞
  • 诱导性多能干细胞 (iPSC)
  • 间充质干细胞(MSC)

在中枢神经系统创伤中募集内源性干细胞和祖细胞

尽管已开展的移植研究为中枢神经系统创伤提供了一些有希望的结果,但诸如手术并发症、长期免疫抑制、伦理问题、肿瘤形成等问题仍然存在。

近年来,成人内源性NSC和NPC及其在中枢神经系统再生中的作用的发现为中枢神经系统创伤后的治疗提供了另一种策略。在成年哺乳动物的中枢神经系统中,来自大脑和脊髓离散区域的细胞可以在体外自我更新并分化为神经元和神经胶质细胞,这表明在发育期之后中枢神经系统中仍存在NSC(图3)。

由于缺乏合适的工具,以前很难确定哪些细胞类型具有干细胞潜能,以及不同的神经祖细胞如何促进SCI和TBI后的恢复。自2005年以来,可以使用基于Cre/loxP系统的谱系追踪技术在体内对不同的NSC和NPC进行基因标记,以确定它们的来源和中枢神经系统损伤后的潜力。

图3:神经创伤后内源性神经干细胞和神经祖细胞反应的图示
图3:神经创伤后内源性神经干细胞和神经祖细胞反应的图示

大脑中的内源性神经干细胞和祖细胞

在成人大脑中,内源性NSC主要位于海马的SVZ和SGZ。这些NSC在健康条件下有助于成人神经发生。TBI后,SVZ中的NSC可以在体外被激活进行自我更新但可能对SVZ的增殖扩张没有显著贡献,并且主要分化为神经胶质细胞而不是神经元。一些实验研究表明,实验性TBI后海马神经发生增加,这似乎对海马的反应性可塑性以及TBI后的认知恢复很重要。

脊髓内源性神经干细胞和祖细胞

与大脑相反,在正常或受伤的哺乳动物脊髓中没有明显的神经发生证据。使用谱系追踪小鼠模型,发现中央管内壁的室管膜细胞在体外可以自我更新并分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞,但在健康条件下在体内增殖率较低。然而,脊髓损伤后,室管膜细胞大量增殖,分化为星形胶质细胞和少突胶质细胞(但不会分化为神经元),并迁移到病变部位促进伤口愈合。因此,调节星形胶质细胞或内源性NSC可以作为潜在的治疗方法。

通过基因操作阻断脊髓损伤后的室管膜细胞增殖,研究表明,室管膜细胞对于脊髓修复至关重要,因为它有助于神经胶质瘢痕形成和神经营养因子的分泌。在人类中,室管膜细胞从幼年到成熟成人也表现出NSC 特征。这些研究表明,无论SCI患者的年龄如何,都可以针对室管膜细胞进行再生。

时间和地点

细胞疗法中的两个关键问题是“何时?”和“在哪里?”何时治疗与治疗时间窗口有关,这取决于所讨论疗法的主要治疗效果。

大多数细胞移植研究都是在TBI或SCI的急性或亚急性期进行的。然而,有许多理由需要更多地关注慢性治疗。处于急性/亚急性期的患者可能在医学上不稳定,无法接受侵入性治疗,并且可能没有认知能力或情绪状态来决定潜在的危险治疗。

患者在前6-12个月内会自发好转,因此急性干预研究必须包括大量患者才能检测出显著的效果,最好是假治疗对照。对于急性和亚急性治疗,没有足够的时间从患者体内体外扩增iPSC衍生的NPC。对于处于慢性期且症状更稳定的患者研究,治疗组可以小得多,但统计能力相似。慢性研究的后勤工作也简单得多。

“在哪里?”这个问题很难回答。几乎没有研究解决这个问题,而且细胞移植的部位在不同研究中差异很大。在少数研究中,细胞是全身给药的,但在实验研究中,NPC通常被注射到实质中。不幸的是,在许多研究中,细胞被注射到几个部位,而没有对不同移植部位的治疗效果进行比较。

不幸的是,这个问题也是许多临床试验中关注的问题。例如,在已发表的SCI中MSC临床试验中,使用的注射次数不同,有的在病变区域内和/或上方注射,有的在椎管内和鞘内细胞注射相结合,甚至椎管内和静脉注射相结合,因此很难得出与植入部位相关的机制结论。虽然植入细胞的迁移可能会使实际注射部位变得不那么重要,但为了临床转化,如果可以使用标准化的注射方案将是有利的,而且显然需要对不同的注射方案进行比较的研究。

结论

经过数十年的研究,中枢神经系统创伤仍然无法治愈。然而,大量已发表的研究表明,细胞疗法有可能改变这种情况,从而回答了“为什么?”这个问题。

我们继续看到重要的进展,从而更深入地了解所涉及的过程。在急性-亚急性啮齿动物研究中,移植外源干细胞或调节内源干细胞和祖细胞已被证明可以保护处于危险中的组织、补偿细胞损失、修复神经回路并促进功能恢复。

干细胞疗法为治疗目前无法治愈的脑和脊髓创伤提供了可能性。干细胞有可能减轻急性亚急性阶段的初始损伤,并替代慢性损伤中丢失的组织。不同类型的外源干细胞可以在细胞培养中产生并移植到选定区域,并且有对损伤有反应并可用于治疗的内源性干细胞。在我们的综述中,我们描述了最近的进展,以及我们认为研究应该关注的内容。

参考资料:Xiaofei Li, Erik Sundström, Stem Cell Therapies for Central Nervous System Trauma: The 4 Ws—What, When, Where, and Why, Stem Cells Translational Medicine, Volume 11, Issue 1, January 2022, Pages 14–25, https://doi.org/10.1093/stcltm/szab006

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