神经干细胞移植治疗脑缺血性中风的回顾与展望

简述：脑缺血性卒中是最常见的死亡和致残原因之一，目前临床上尚无有效的治疗策略。由于不可逆的功能性神经元丢失和神经组织损伤，干细胞移植可能是最有希望的治疗方法。神经干细胞（Neural stem cells，NSCs）作为一种特殊类型的干细胞，仅存在于神经系统中，可分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞，具有代偿内源性神经细胞不足和改善细胞存活的炎症微环境的能力。

神经干细胞移植治疗脑缺血性中风的回顾与展望

本综述围绕神经干细胞移植治疗脑缺血性脑卒中的重要作用，重点介绍了优化神经干细胞移植治疗效果的方法，如特定基因的转染和过表达，用炎症因子预处理神经干细胞，并与细胞因子共同移植。接下来，我们讨论了神经干细胞移植的潜在问题，这些问题严重限制了其快速临床转化和应用。

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在全球范围内，中风是导致死亡和残疾的三大常见原因之一。分为以下两种类型：缺血性脑卒中和出血性脑卒中，其中缺血性脑卒中占四分之三以上（约80%-85%）。

缺血性中风可在脑缺血区周围引起一些有害的病理生理变化。该事件主要表现为局部脑组织在短时间内出现血液中断后神经组织发生急性缺血缺氧。随后发生一系列级联反应，包括局部氧自由基和活性氧的产生，局部组织通透性增加，脑水肿的产生，局部免疫炎症细胞浸润，神经炎症的发展，血脑屏障破坏. 这些病变在短时间内显着扩大，导致局部神经细胞损伤和坏死，功能神经元减少，轴突网络中断。

随后，由于周围缺血细胞区域的微环境极差，继发性脑损伤发生，导致不可逆的神经组织损伤。限制神经组织的自我修复。即使在缺血区域血流恢复后，仍然没有足够的神经细胞和适当的免疫微环境来补充和修复死亡的功能性神经组织。这最终会导致永久性局部神经组织丢失和大脑神经功能缺陷（图1)。

局部脑组织断血后，会发生一系列级联反应：BBB破坏、血管通透性增加、脑水肿产生、炎症因子浸润、氧自由基和ROS产生、神经炎症发生等，诱发局部神经细胞坏死和轴突网络破坏，导致功能神经元减少和不可逆的大脑神经功能缺陷。

脑卒中临床治疗的主要目的是在脑卒中发病后尽早恢复局部脑血流灌注,减少残疾或功能障碍的发生和程度。

传统医疗分为药物和非药物，主要采用静脉或动脉的溶栓，以及中医理疗，包括针刺、推拿等。

脑卒中溶栓疗法时间窗短，且大多数患者无法取得良好的治疗效果，因此预防与预后均特别重要。目前对于其治疗目的是改善脑部血液循环，增加缺血区的半暗带区的血流及氧的供应，控制脑水肿，防治并发症。

神经干细胞移植技术在缺血性脑卒中的临床应用价值

随着干细胞治疗研究的发展，成体干细胞越来越受到重视，为未来临床治疗包括缺血性脑卒中在内的难治性疾病提供了新的方向。神经干细胞具有自我更新、低免疫原性、良好的组织相容性以及多向分化潜能等优点；它们可以分化成三种类型的神经细胞来维持和修复受损的脑组织。

因此，神经干细胞作为一种天然的活性资源，被认为是治疗神经系统疾病的良好工具。许多临床前研究发现外源性神经干细胞移植可以显着补充或替代受损组织，治疗多种神经系统疾病。研究也表明，外源性神经干细胞移植治疗神经系统疾病后，不仅体内补充了内源性神经干细胞的不足，而且组织损伤区周围的免疫微环境也得到了改善。许多临床前研究已经证明外源性神经干细胞对神经系统疾病具有一定的治疗作用，并且有研究发现外源性神经干细胞可以通过与一些细胞因子[如脑源性神经营养因子（BDNF）、血管内皮生长因子 (VEGF) 或NGF等。

神经干细胞移植治疗脑缺血性中风

大量此类研究评估了移植的外源性神经干细胞在脑缺血性中风的临床前动物中的治疗效果和安全性。他们的研究结果表明，外源性神经干细胞可以显着改善脑缺血动物的预后，不仅功能预后得到改善，组织学梗死体积也明显减少，且没有明显的安全性问题。

以下两种主要机制已被批准用于治疗脑缺血性中风的外源性NSCs活性，根据第一种机制，外源性干细胞移植弥补了内源性干细胞的不足，激活了更多的内源性细胞来修复神经损伤；第二种机制揭示了外源性干细胞移植改善了缺血区域周围的炎症免疫微环境，进而基于旁观者效应介导神经网络重建（图2)。

外源性神经干细胞移植到缺血脑内后，可诱导SVZ区的内源性NSCs激活。然后外源性和内源性神经干细胞迁移到缺血损伤的皮质部位，分化为神经胶质细胞和神经元，有助于神经胶质瘢痕形成和神经组织修复。

神经干细胞移植治疗缺血性脑卒中的动物实验

目前，神经干细胞移植治疗脑缺血性脑卒中动物模型的结果令人满意。此外，干细胞移植的有效性和安全性也得到证实。Lees等和Vu等使用荟萃分析分别在脑缺血性卒中临床前动物模型中评估干细胞移植（包括 NSCs）的治疗效果。治疗后脑缺血动物神经功能明显改善，脑梗死体积缩小。此外，预后改善程度与干细胞来源、注射途径、注射时机和注射剂量相关。

神经干细胞移植治疗缺血性脑卒中的临床试验

目前，在脑缺血性中风的临床试验数据库（ClinicalTrials.gov）中注册的NSCs临床试验很少。第一项研究是在英国格拉斯哥大学伊丽莎白女王大学医院进行的II期临床试验 ( NCT02117635)。目前的试验状态表明它已经完成。他们于2016年8月在《柳叶刀》杂志上发表了人NSC治疗慢性脑缺血性中风的I期临床试验（NCT01151124）。

该临床研究是一项非盲的单中心移植研究，涉及不同剂量的CTX0E03细胞（永生化NSC细胞系，ReNeuron）。永生化NSCsCTX0E03的同种异体移植通过立体定向注射进行。共有11名患者入组。四组注射不同剂量的外源性神经干细胞。患者随访2年，并通过NIHSS（美国国立卫生研究院卒中量表）和 Barthel 指数方法进行评估。所有评估方法和MRI图像证实，外源性神经干细胞显着改善神经干细胞移植后患者的神经功能，且无相关不良反应。该研究是首次在临床脑缺血性卒中患者中进行的外源性神经干细胞移植。由于人类白细胞抗原（HLA）错配，所有患者均未使用免疫抑制剂，结果显示部分患者神经功能有明显改善。但由于I期临床试验纳入的患者数量较少，且未纳入对照组或安慰剂组（这可能涉及伦理问题），因此预计II期临床试验将有更详细的数据。

第二项研究是在北京八一脑科医院注册的I期临床试验（NCT03296618）。在这项研究中，使用了来自 Neuralstem 的NSI-566细胞系的外源性神经干细胞，该细胞系来源于原代人胎儿脊髓组织。该I期临床试验结果尚未公布。

优化神经干细胞移植的疗效

尽管临床前研究证实了神经干细胞移植治疗缺血性脑卒中的有效性和安全性，但仍存在一些争议。由于干细胞在体内的移植效率或存活率不足5% ，因此该疗法在临床应用前仍有许多问题需要解决。最重要的问题是移植后神经干细胞在体内的移植效率和分化率。此外，内源性和外源性神经干细胞在体内分化为神经胶质细胞的比例明显高于神经元。

因此，许多研究试图通过不同的策略来改变神经干细胞的基因表达或蛋白质水平，例如病毒转染以表达特定基因，用炎症免疫因子预处理细胞，以及与细胞因子结合以增加移植细胞的治疗效果。

神经干细胞移植的潜在问题

尽管临床前和临床研究均已证实，外源性神经干细胞移植可以治疗缺血性脑卒中、神经退行性疾病等多种难治性神经系统疾病，但仍存在一定的局限性和潜在的副作用，包括干细胞的大规模生产瓶颈、潜在的同种异体细胞排斥、细胞致瘤性风险、细胞移植的移植或存活效率、细胞给药途径的困难以及靶向问题。这些都限制了神经干细胞的快速临床转化和应用。

前景干细胞为基础的无细胞治疗策略

目前，基于干细胞的疗法是治疗难治性疾病最有希望的方法。大量研究证实了干细胞治疗对包括缺血性脑卒中在内的难治性神经系统疾病的有效性和可行性。虽然移植的外源性NSCs可以在急性脑卒中后提供神经保护作用，并为慢性脑卒中补充丢失的神经组织（通过直接细胞替代和增强内源性修复），但并未达到完全康复的最终目标，仍存在一些问题需要解决解决。

多项研究证实旁分泌效应在干细胞移植中起主要作用，而造成这种旁分泌效应的主要分子是细胞外囊泡（EVs）。外泌体是源自在EV中起主要作用的细胞的胞吐囊泡的小分子。

外泌体直径约30-150nm，可被所有细胞分泌，包括蛋白质、脂质和RNA；此外，它们在细胞间通讯中起着非常重要的作用。由于外泌体在一定程度上具有其来源细胞的活性成分和功能特性，因此它们可用于开发新型无细胞治疗。相关临床前和临床研究证实干细胞外泌体安全有效；它们不仅可以穿过生物屏障（如血脑屏障，BBB），而且还表现出免疫耐受性，在体内相对稳定（无免疫排斥） 。同时，可以避免外源细胞的致瘤性（由于无细胞处理）。此外，它们可以通过纳米医学技术进行修饰，以增强其治疗效果，并促进给药途径或治疗的靶向。

总之，目前包括缺血性脑卒中在内的难治性神经系统疾病最有希望的治疗方法是基于干细胞移植（图3)。

NSCs-外泌体可以克服与干细胞疗法相关的许多风险和困难。外泌体含有细胞的活性成分，可自由穿过血脑屏障，介导免疫调节，无免疫耐受，可载药，可标记靶向治疗等。目前，NSCs-外泌体作为无干细胞分子可能是缺血性中风干细胞治疗最有希望的治疗候选者。

神经干细胞作为一种只存在于神经系统的特殊干细胞，在神经系统疾病的修复中发挥着非常重要的作用。神经干细胞是一种天然种子资源，不仅可以补充坏死的神经细胞或组织，还可以参与内源性修复机制。此外，源自神经干细胞的外泌体具有相似的功能特性，可能成为干细胞研究领域的一个新的研究课题。

因此，使用基于干细胞的无细胞治疗，外泌体可以发展成为一种新的治疗策略，它们可能在未来发挥更重要的作用。

参考资料：Zhang GL, Zhu ZH, Wang YZ. Neural stem cell transplantation therapy for brain ischemic stroke: Review and perspectives. World J Stem Cells. 2019 Oct 26;11(10):817-830. doi: 10.4252/wjsc.v11.i10.817. PMID: 31692854; PMCID: PMC6828598.