李永超, 馮曉飛, 蘇啟航, 譚 軍, 李立鈞

(同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院脊柱外科,上海 200120)

脊髓損傷(spinal cord injury, SCI)發(fā)病率和致殘率高,給患者家庭和社會(huì)帶來了沉重的負(fù)擔(dān),其治療和康復(fù)現(xiàn)已成為醫(yī)學(xué)研究的一大難點(diǎn)[1-2]。臨床上,治療SCI的常見方法包括藥物、手術(shù)和康復(fù)鍛煉,但只能部分改善癥狀,很難從根本上恢復(fù)損傷的脊髓。大多數(shù)SCI患者仍然失去神經(jīng)功能,部分原因是脊髓自身再生能力非常有限[1,3]。因此,迫切需要一種新穎、有效的SCI治療方法,以挽救喪失的脊髓功能[4]。

近年來,干細(xì)胞移植技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)SCI病理生理學(xué)機(jī)制的深入研究,給SCI患者帶來了新的希望[5-8]。目前,已發(fā)現(xiàn)多種可用于修復(fù)SCI的種子干細(xì)胞,見表1[5]。在眾多干細(xì)胞中,人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞(human umbilical cord mesenchymal stem cells, hUC-MSCs)移植可能是修復(fù)損傷脊髓極具吸引力的治療選擇之一[9-11]。hUC-MSCs具有取材方便、易于運(yùn)輸、低免疫原性、無倫理爭(zhēng)議、無成瘤性、快速增殖和多向分化等優(yōu)點(diǎn)[12]。臨床前動(dòng)物研究已證實(shí)hUC-MSCs修復(fù)SCI的巨大潛力,但臨床轉(zhuǎn)化并不順利[6,13-14]。其臨床最佳移植途徑、劑量、時(shí)間窗,以及hUC-MSCs脊髓修復(fù)機(jī)制、臨床安全性和有效性等仍需進(jìn)一步探索。本文就hUC-MSCs治療SCI的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

表1 用于修復(fù)SCI的干細(xì)胞分類

1 SCI的病理生理和分子病理機(jī)制

損傷脊髓神經(jīng)功能的恢復(fù)與不同病理生理時(shí)期密切相關(guān)[1]。SCI急性期(2周內(nèi))以免疫炎癥反應(yīng)為主;亞急性期(2周-2個(gè)月)表現(xiàn)為神經(jīng)元壞死及神經(jīng)抑制因子表達(dá)升高;慢性期(>2個(gè)月)表現(xiàn)為軸突變性、空洞和膠質(zhì)瘢痕形成,導(dǎo)致神經(jīng)功能永久喪失[1,10]。在分子病理機(jī)制層面,SCI也可分為原發(fā)性脊髓損傷和繼發(fā)性脊髓損傷[9,15]。繼發(fā)性脊髓損傷包括炎性反應(yīng)、神經(jīng)細(xì)胞死亡和微環(huán)境失衡等在內(nèi)的一系列復(fù)雜的病理反應(yīng)[9]。在繼發(fā)性脊髓損傷中,微環(huán)境失衡是限制脊髓修復(fù)的關(guān)鍵因素[9]。目前,針對(duì)SCI后不同分子病理特點(diǎn)和病理生理時(shí)期,通過抗炎、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)和免疫調(diào)節(jié)等作用,以改善失衡的脊髓微環(huán)境是治療SCI的關(guān)鍵[9-10,15]。

2 hUC-MSCs的生物學(xué)特性

臍帶具有來源廣泛,取材方便無創(chuàng)等優(yōu)點(diǎn),其動(dòng)靜脈之間含有特殊的胚胎黏液樣結(jié)締組織(沃頓膠),而從中分離得到的基質(zhì)細(xì)胞即為hUC-MSCs[16-17]。hUC-MSCs表達(dá)具有干細(xì)胞特性的標(biāo)志,且具有自我更新、大量增殖和多向分化潛能,其誘導(dǎo)培養(yǎng)能向神經(jīng)元細(xì)胞、骨細(xì)胞等多種成體細(xì)胞分化[12,16]。hUC-MSCs除了具有向神經(jīng)細(xì)胞分化的潛能,也有很強(qiáng)的自分泌與旁分泌功能[18]。此外,hUC-MSCs很少表達(dá)人類白細(xì)胞Ⅰ類抗原、缺乏人類白細(xì)胞DR抗原和共刺激分子CD40和CD80,且擁有較低的免疫原性和良好的移植后受體耐受性[19]。

3 hUC-MSCs對(duì)SCI的神經(jīng)修復(fù)機(jī)制

目前,hUC-MSCs對(duì)SCI的詳細(xì)神經(jīng)修復(fù)機(jī)制尚未完全的闡明,可大致概括為3個(gè)方面[10,14,20-25]。

(1) 通過分泌各種因子保護(hù)神經(jīng)元,促進(jìn)殘存神經(jīng)元軸突的再生和突觸形成,并促使損傷脊髓局部的血管再生。Xie等[14]大鼠SCI動(dòng)物模型發(fā)現(xiàn),移植hUC-MSCs可分泌神經(jīng)生長(zhǎng)因子,維持細(xì)胞在高活性氧微環(huán)境中的活力,使損傷脊髓得到有效恢復(fù)。此外,Xiao等[21]通過體外研究證實(shí)hUC-MSCs分泌的外泌體可通過miR-29b-3p/PTEN軸激活PI3K/AKT通路減少SCI神經(jīng)元的凋亡。與此同時(shí),Cao等[26]研究發(fā)現(xiàn),在亞急性SCI大鼠模型中,hUCMSCs有效劑量移植可促進(jìn)γ-氨基丁酸A型(γ-aminobutyric acid A, GABAA)受體表達(dá)的部分恢復(fù),提示GABAA受體可能是SCI的治療靶點(diǎn)。

(2) 改善損傷脊髓局部微環(huán)境,減輕炎癥反應(yīng),并減少脊髓空洞、膠質(zhì)瘢痕的形成和瘢痕的屏障阻礙作用。Liu等[22]研究發(fā)現(xiàn)大鼠SCI造模后血清中促炎細(xì)胞因子IL-1β、IFN-γ、IL-6和TNF-α升高。而鞘內(nèi)注射hUC-MSCs治療3、7 d后,IFN-γ、IL-6和TNF-α呈明顯下降趨勢(shì)。Zhu等[27]研究發(fā)現(xiàn)hUC-MSCs移植治療小鼠急性脊髓損傷可促進(jìn)運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù),且與對(duì)小膠質(zhì)細(xì)胞的抑制作用密切相關(guān)。他們認(rèn)為hUC-MSCs移植治療急性SCI的效果取決于其對(duì)神經(jīng)損傷后炎癥反應(yīng)的抑制能力。此外,Li等[23]發(fā)現(xiàn)hUC-MSCs可能通過抑制Ⅰ型膠原蛋白、Ⅲ型膠原蛋白、FGF 2、p-p38、TRPV1、TLR4和p-NF-κB的表達(dá),在急性SCI后膀胱功能重建中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

(3) 可多向分化為神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞,促進(jìn)軸突再生、髓鞘化和重建神經(jīng)環(huán)路。Cao等[25]發(fā)現(xiàn)hUC-MSCs移植通過調(diào)節(jié)損傷脊髓的繼發(fā)性免疫炎癥反應(yīng)和PTBP-1表達(dá),調(diào)節(jié)瘢痕形成和神經(jīng)元再生,促進(jìn)SCI小鼠功能恢復(fù)。

此外,hUC-MSCs還可釋放含有大量生物活性分子的微泡和外泌體,刺激神經(jīng)軸突再生、抑制瘢痕形成,同時(shí)加速血管再生和重建,發(fā)揮抗炎、抗凋亡作用,促進(jìn)脊髓損傷的恢復(fù)[17,20]。Kang等[24]發(fā)現(xiàn)來自hUC-MSCs的外泌體可通過激活Wnt信號(hào)通路,降低小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的激活,抑制了神經(jīng)元的凋亡,增強(qiáng)SCI小鼠的運(yùn)動(dòng)功能。

4 hUC-MSCs治療SCI的最佳移植途徑、劑量和時(shí)機(jī)

目前,hUC-MSCs的移植途徑主要有鞘內(nèi)注射、損傷局部注射和靜脈輸注。損傷局部注射可將hUC-MSCs直接注射至損傷脊髓周圍,但也有導(dǎo)致脊髓二次損傷和出血風(fēng)險(xiǎn)。而靜脈輸注簡(jiǎn)單易行,風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小,但多數(shù)hUC-MSCs遷移到肺、脾臟和腎臟,很少遷移至脊髓損傷部位。蛛網(wǎng)膜下腔鞘內(nèi)注射可避免上述問題,簡(jiǎn)便易行,損傷小,且hUC-MSCs可從蛛網(wǎng)膜下腔遷移至脊髓損傷部位,保障足夠的細(xì)胞數(shù)量[20]。有研究發(fā)現(xiàn),鞘內(nèi)遞送后細(xì)胞植入和組織保存明顯更好,并且蛛網(wǎng)膜下腔鞘內(nèi)注射降低了宿主免疫反應(yīng)。相較于其他細(xì)胞輸送方法,鞘內(nèi)注射能更好地恢復(fù)脊髓功能[28]。2022年,Liu等[22]發(fā)現(xiàn)相比靜脈注射,鞘內(nèi)注射hUC-MSCs對(duì)SCI大鼠具有劑量依賴的神經(jīng)保護(hù)作用,可減少移植所需的細(xì)胞數(shù)量,是治療需要控制炎性細(xì)胞因子或組織修復(fù)的SCI的更合適的方法。Lu等[10]基于動(dòng)物研究的系統(tǒng)綜述和Meta分析發(fā)現(xiàn)局部hUC-MSCs移植(鞘內(nèi)注射或損傷局部注射)的治療效果明顯優(yōu)于靜脈移植。Chen等[29]通過Meta分析發(fā)現(xiàn)鞘內(nèi)注射移植入路對(duì)脊髓損傷患者的神經(jīng)功能改善最大。因此,微創(chuàng)蛛網(wǎng)膜下腔鞘內(nèi)注射被認(rèn)為是最安全、最有效的hUC-MSCs輸送方法[1]。

hUC-MSCs的移植劑量決定了到達(dá)損傷部位的有效干細(xì)胞的數(shù)量,且與SCI的修復(fù)密切相關(guān)。與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞相比,hUC-MSCs體積更小,在宿主環(huán)境中更具移動(dòng)性,更容易通過體內(nèi)的各種屏障,更小的體積可以容納更多的細(xì)胞。因此,hUC-MSCs的劑量依賴效應(yīng)更為明顯。然而,過大的移植劑量可能導(dǎo)致細(xì)胞團(tuán)的形成,導(dǎo)致器官和組織栓塞,從而影響干細(xì)胞的功能。反之,過低劑量的干細(xì)胞不能充分發(fā)揮修復(fù)作用,因?yàn)闆]有足夠劑量的干細(xì)胞到達(dá)損傷部位。為了保證足夠的干細(xì)胞發(fā)揮修復(fù)作用,必須增加干細(xì)胞的移植劑量[10]。Cao等[26]研究發(fā)現(xiàn),在亞急性SCI大鼠模型中,1×106hUC-MSCs/kg的劑量(而不是0.25×106hUC-MSCs/kg的較低劑量)與4×106hUC-MSCs/kg一樣有效地改善功能恢復(fù)。因此,他們認(rèn)為鞘內(nèi)植入1×106hUC-MSCs/kg是治療亞急性脊髓損傷的替代方法。有研究表明,過高劑量的細(xì)胞移植可引發(fā)強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng),從而降低干細(xì)胞的修復(fù)效果[12]。最近,Lu等[10]基于動(dòng)物研究的系統(tǒng)綜述和Meta分析發(fā)現(xiàn)無論何種移植途徑和時(shí)機(jī),都得到了相同的結(jié)果,即高劑量≥1×106hUC-MSCs移植優(yōu)于低劑量<1×106hUC-MSCs移植。此外,由于鞘內(nèi)注射的hUC-MSCs生存時(shí)間有限,相同劑量的hUC-MSCs移植后,重復(fù)移植的效果明顯優(yōu)于單次移植。因此,多次重復(fù)注射hUC-MSCs可能是提高干細(xì)胞修復(fù)效果的一種潛在策略,值得未來繼續(xù)探索[10]。

hUC-MSCs在體內(nèi)容易受損傷脊髓局部微環(huán)境的影響,因此選擇最佳的移植時(shí)機(jī)非常重要。hUC-MSCs移植過早會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞壞死,過晚容易受膠質(zhì)瘢痕影響,阻礙神經(jīng)纖維再生[10]。此外,hUC-MSCs可分泌多種因子,更早期移植利于消除或減輕繼發(fā)性脊髓損傷。Lu等[10]基于動(dòng)物研究的Meta分析發(fā)現(xiàn)亞急性hUC-MSCs移植的治療效果明顯優(yōu)于急、慢性移植。因此,他們認(rèn)為SCI亞急性期(2周-2個(gè)月)移植是hUC-MSCs的最佳移植時(shí)機(jī)。也有研究發(fā)現(xiàn),hUC-MSCs的最佳移植時(shí)機(jī)是損傷后3-4周內(nèi),既可避免脊髓損傷急性期炎性因子對(duì)hUC-MSCs的損害,也可避免慢性期膠質(zhì)瘢痕形成對(duì)軸突再生的阻礙[20]。因此,hUC-MSCs的最佳移植時(shí)機(jī)仍需進(jìn)一步探索,尤其需開展臨床研究以驗(yàn)證最佳的移植時(shí)機(jī)。

5 hUC-MSCs移植治療SCI的臨床安全性和有效性

雖然多項(xiàng)動(dòng)物研究支持hUC-MSCs移植修復(fù)損傷的脊髓,但臨床應(yīng)用卻取得了不一致的結(jié)果[6,13-14]。Dai等[30]將自體hUC-MSCs直接移植到SCI部位,發(fā)現(xiàn)18例患者中僅有8例感覺和運(yùn)動(dòng)功能輕度恢復(fù),干細(xì)胞移植可能引起發(fā)熱、頭痛、神經(jīng)性疼痛等不良反應(yīng)。Oh等[31]的三期臨床試驗(yàn)也顯示,在接受干細(xì)胞移植的16例患者中,只有2例患者神經(jīng)功能略有改善。但在Yao等[32]的研究中,25例外傷性脊髓損傷(損傷時(shí)間>6個(gè)月)患者通過靜脈和鞘內(nèi)注射hUC-MSCs后隨訪1年,可發(fā)現(xiàn)部分患者自主神經(jīng)得到恢復(fù)。Zhu等[33]研究報(bào)道了20例SCI慢性期患者經(jīng)hUC-MSCs移植后,13例改善了運(yùn)動(dòng)和括約肌功能,且5例從完全轉(zhuǎn)化為不完全SCI。而劉靜等[20]長(zhǎng)期隨訪研究采用hUC-MSCs蛛網(wǎng)膜下腔注射治療35例SCI患者,輸注劑量為每次1×106cells/kg,1周1次,1療程4次,共完成46個(gè)療程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)25例不完全性SCI患者有效率達(dá)88%,10例完全性SCI患者均無效。最后,她們認(rèn)為hUC-MSCs鞘內(nèi)注射治療安全可靠,且能改善大多數(shù)脊髓不完全性損傷患者的神經(jīng)功能,多療程治療有可能使患者療效得到進(jìn)一步提高。上述臨床研究結(jié)果差異較大,主要原因是未采用一致的hUC-MSCs移植途徑、劑量和時(shí)機(jī)。2022年,石堯等[6]開展的一項(xiàng)hUC-MSCs治療SCI有效性與安全性的Meta分析,共納入6篇隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)和4篇隊(duì)列研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)hUC-MSCs治療SCI安全有效,患者的感覺和運(yùn)動(dòng)功能以及日常生活能力可得到顯著改善,不良反應(yīng)較少。他們認(rèn)為具有高等級(jí)證據(jù)支持hUC-MSCs治療SCI,值得在臨床中進(jìn)行更大規(guī)模研究。但值得注意的是,該Meta分析所納入研究的hUC-MSCs移植途徑、劑量和時(shí)機(jī)存在著不同,可能會(huì)對(duì)結(jié)論產(chǎn)生一定的影響。

6 展 望

目前,大量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和臨床研究發(fā)現(xiàn)hUC-MSCs移植是治療SCI的一個(gè)有前景的治療方法,但仍存在一些問題亟待解決: (1) 受損脊髓局部炎性環(huán)境可導(dǎo)致所移植的hUC-MSCs大量死亡,并影響其發(fā)揮正常功能。因此,采用綜合治療方法如聯(lián)合應(yīng)用水凝膠或納米材料支架,以最大發(fā)揮hUC-MSCs的生物活力。Chen等[34]發(fā)現(xiàn)3D打印的膠原蛋白/絲素蛋白攜帶hUC-MSCs分泌蛋白質(zhì)組支架可以通過橋接脊髓損傷來部分重建脊髓損傷后的神經(jīng)回路,從而改善神經(jīng)功能障礙,這表明植入攜帶MSCs分泌蛋白質(zhì)組的3D打印膠原蛋白/絲素蛋白支架有可能成為一種新的、更安全的脊髓損傷修復(fù)治療方法。(2) 需進(jìn)一步闡明hUC-MSCs的生物學(xué)特點(diǎn),采用小分子活性肽、生長(zhǎng)因子等新方法以更好誘導(dǎo)hUC-MSCs向神經(jīng)細(xì)胞分化。(3) 急需建立臨床級(jí)、標(biāo)準(zhǔn)化的hUC-MSCs體系,助于同質(zhì)化地開展基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和臨床研究。(4) 目前,僅局限臨床研究應(yīng)用hUC-MSCs移植治療SCI患者,進(jìn)一步仍需開展大樣本的隨機(jī)對(duì)照臨床研究,以驗(yàn)證hUC-MSCs最佳的移植途徑、劑量和時(shí)機(jī)[2]。