胚胎干细胞移植治疗脊髓损伤的研究进展

徐乐勤,丁道芳,李晓锋,王拥军,施杞,周重建

胚胎干细胞移植治疗脊髓损伤的研究进展

徐乐勤,丁道芳,李晓锋,王拥军,施杞,周重建

胚胎干细胞移植具有为损伤的脊髓提供营养,或分化成少突胶质细胞使脱髓鞘的神经再髓鞘化,或分化成神经元并与宿主神经元建立突触连接等作用,从而修复受损的神经功能,在脊髓损伤的治疗中具有良好的应用前景。

胚胎干细胞;脊髓损伤;移植;再生;修复;综述

脊髓损伤是中枢神经系统的一种严重创伤,多由车祸、坠落等造成脊柱脱位、骨折所致。脊髓损伤后,死亡的神经元不能再生,受损部位胶质瘢痕增生,新生的轴突不能通过瘢痕组织,以及损伤部位的慢性脱髓鞘等病理改变[1-2],导致损伤平面以下感觉和运动功能障碍。即使在成人大脑中存在神经干细胞,但其对脊髓损伤的修复能力非常有限,因此脊髓损伤后仅靠机体自身的能力无法修复脊髓功能。随着神经病理生理及神经发育学研究的不断深入,细胞移植被广泛地应用于脊髓损伤的治疗。移植的细胞具有替代损伤的神经元、修复损伤的髓鞘、构成新的神经轴突连接,从而达到修复损伤脊髓的作用。目前研究的移植细胞种类有:胚胎干细胞、神经干细胞、间充质干细胞、嗅鞘细胞、施万细胞等[3]。胚胎干细胞由于其具有无限增殖的能力;广阔的分化潜能,可分化出无限的、可供选择的特定细胞类型;同时也能进行基因工程操作,被认为是理想的种子细胞来源。近期研究结果表明,胚胎干细胞或经体外诱导分化形成的神经前体细胞移植到损伤的脊髓,可进一步分化成神经元和神经胶质细胞,使失髓鞘的神经再髓鞘化,从而促进脊髓功能的恢复,提示胚胎干细胞在脊髓损伤的治疗中具有良好的应用前景。

1 胚胎干细胞的生物学特性

胚胎干细胞是来源于哺乳动物早期胚胎内细胞团中的一种二倍体细胞,具有长期的未分化增殖能力;在特定的条件下,能够向内、中、外3个胚层的组织和细胞分化[4-6]。1981年Evans和Kaufman首次从小鼠囊胚中分离、培养得到小鼠胚胎干细胞[7]。此后,人们又相继采用不同的方法从牛、羊、猫、狗和大鼠等哺乳动物中分离得到胚胎干细胞[8-12]。1998年,Thomson利用体细胞核转移技术成功地从人类的囊胚分离得到人胚胎干细胞,经体外培养4～5个月后仍能保持未分化状态,从而建立了人的胚胎干细胞系[13]。这些成果给细胞移植治疗、药物发现及筛选等带来深远的影响,为体外培养出更多可供移植选择的细胞类型奠定了基础。

胚胎干细胞的主要特性可概括为:①全能性:在体外可诱导产生出3个胚层的分化细胞;在体内能广泛参与宿主各组织器官的生长、发育,形成嵌合体,特别是生殖系嵌合体;②可修饰性:可在体外进行遗传修饰,经过遗传修饰的胚胎干细胞具有携带外源基因的特性,同时也能保持发育的全能性;③无限增殖性:胚胎干细胞可保持未分化状态下的增殖,即使经过长期培养,仍然保持形成3胚层衍生物的能力[14]。正是由于上述特性,胚胎干细胞广泛应用在细胞发育研究、基因靶向研究、转基因小鼠疾病模型的制备以及移植治疗中枢神经系统疾病的实验研究。近年的实验研究结果表明,胚胎干细胞移植能够促进损伤脊髓功能的恢复,为中枢神经损伤的治疗带来了新希望[15-25]。

2 胚胎干细胞在脊髓损伤再生修复中的应用

脊髓损伤的主要问题在于上、下行传导神经纤维(轴突)束的断裂,导致上、下神经元之间形成的神经通路中断。胚胎干细胞移植具有为损伤的脊髓提供营养,或分化成少突胶质细胞使脱髓鞘的神经再髓鞘化,或分化成神经元并与宿主神经元建立突触连接等作用,从而修复受损的神经功能。目前,利用胚胎干细胞移植治疗脊髓损伤的方法有:未分化的胚胎干细胞直接移植、经诱导分化为神经前体细胞后移植、经基因修饰后移植以及联合支架或其他细胞共同移植等。

2.1 未分化的胚胎干细胞直接移植 Bottai等将未分化的胚胎干细胞经尾静脉注射移植治疗T8脊髓损伤的小鼠,发现移植28 d后小鼠的运动功能明显改善。移植胚胎干细胞主要是通过减少巨噬细胞和中性粒细胞的侵入以保护腹侧的髓鞘,而对几种神经营养因子和炎症因子表达均无明显影响。虽然在骶髓部位发现了来源于移植的胚胎干细胞的神经细胞(这些细胞呈nestin和β-tubulin阳性)出现了不对称的克隆,但没有形成肿瘤[15]。该实验结果表明,未分化的胚胎干细胞移植后可以通过减少炎性细胞侵入和保护髓鞘免受破坏,从而促进损伤脊髓的修复,提高神经功能。

2.2 胚胎干细胞经诱导分化为神经前体细胞后移植 目前,采用将胚胎干细胞诱导成神经前体细胞后再移植治疗脊髓损伤的报道相对较多,主要的考虑是将胚胎干细胞向神经细胞诱导后再移植可以降低肿瘤形成的危险。Liu等采用化学试剂诱导方法建立大鼠脱髓鞘模型,然后将来源于胚胎干细胞的少突胶质前体细胞移植到脊髓后索,检测胚胎干细胞在脱髓鞘部位的存活、迁移、分化以及形成成熟髓鞘的情况,发现在脱髓鞘部位可以观察到大量的移植细胞存活,并分化成成熟的少突胶质细胞;将该少突前体细胞移植到先天性髓鞘缺失的成熟小鼠脊髓后,发现移植的细胞不但可迁移且与宿主细胞整合,形成新的髓鞘盘旋围绕宿主轴索[16]。该实验结果表明,移植胚胎干细胞来源的少突胶质细胞可以替代损伤脊髓部位缺失的髓鞘。Mc-Donald等将胚胎干细胞诱导分化成的神经前体细胞注射到大鼠脊髓压迫部位,观察到移植的细胞在损伤部位存活,分化成星形胶质细胞、少突胶质细胞及神经元,并向受损脊髓的两端迁移了8 mm[17-18]。该实验表明了移植外源性的少突胶质细胞可促使中枢神经系统损伤后脱髓鞘的神经纤维髓鞘再生,产生新的郎飞结,使传导通路部分或全部恢复,对于中枢神经系统损伤的修复具有重要作用。Keirstead等将人胚胎干细胞来源的少突胶质前体细胞移植到成年大鼠脊髓损伤部位,发现移植的细胞可以增加损伤脊髓再髓鞘化,提高运动功能的恢复;并证明早期(损伤后7 d)进行细胞移植具有修复脊髓功能作用,而晚期(损伤后10个月)则没有修复作用[19]。亦有实验表明,将人的胚胎干细胞分化成少突胶质前体细胞,然后再移植到损伤的颈髓部位可促进脊髓损伤的修复[20]。以上实验结果证明了胚胎干细胞来源的少突胶质细胞能与宿主细胞整合,使脱髓鞘的神经再髓鞘化,提示胚胎干细胞分化来的神经前体细胞移植可能是一种有效地治疗原发和继发的成年中枢神经系统脱髓鞘疾病的方法[2,16,21]。

2.3 胚胎干细胞经基因修饰后移植 单纯的移植虽然对损伤的脊髓具有一定的修复作用,但仍达不到理想的结果。其主要原因是因为损伤的脊髓微环境不利于移植细胞存活和分化成有利于神经修复的神经细胞。因此,有学者尝试通过基因修饰的方式来促进移植细胞的存活和分化。如Chen等通过转染细胞黏附因子L1后,再移植到损伤的脊髓,发现转染后的胚胎干细胞存活时间明显多于未转染的[22]。Hamada等将MASH1基因转染到胚胎干细胞,促进其在体外向神经前体细胞分化,然后将神经前体细胞移植到损伤的脊髓,结果发现该方法有利于胚胎干细胞向神经细胞分化和轴突的生长,从而改善运动功能[23]。这些结果表明了经基因修饰后的胚胎干细胞更有利于移植治疗脊髓损伤。

2.4 胚胎干细胞联合支架或其他细胞移植 Hatami等将人的胚胎干细胞分化成神经前体细胞,联合胶原支架移植治疗脊髓损伤,结果发现移植后大鼠的后肢运动和感觉功能都得到了提高[24]。Salehi等通过胚胎干细胞联合嗅鞘细胞移植,结果发现联合移植在剩余脊髓组织百分率、神经元的分化率以及后肢功能方面明显优于单纯的胚胎干细胞或嗅鞘细胞移植[25]。表明了胚胎干细胞和嗅鞘细胞具有协同促进脊髓修复的作用。这些实验进一步证明了胚胎干细胞具有促进脊髓功能的恢复,而且联合治疗优于单一的移植治疗。

3 问题与展望

上述的结果均证明了胚胎干细胞早期移植治疗脊髓损伤是有效的,而且经基因修饰后的胚胎干细胞或者联合其他细胞或支架移植的效果更好,但这距临床应用仍有一段距离,其主要的问题有:①胚胎干细胞的定向分化:目前,在体外可采用诱导剂诱导胚胎干细胞定向分化成神经细胞,但这些方案无法用到体内诱导;另外,在体内由于受到脊髓损伤的病理环境影响,胚胎干细胞分化成神经元的比率远小于体外培养;②胚胎干细胞移植的安全性:虽然目前的实验结果均未发现胚胎干细胞移植后形成肿瘤,但这些实验的观察时间都比较短,而且在移植未分化的胚胎干细胞28 d后骶髓部位形成了不对称的克隆,表明未分化的胚胎干细胞移植仍然存在成瘤的危险;③移植后胚胎干细胞的存活:损伤的脊髓存在炎症反应增高、免疫反应,这些病理反应和机体的排斥反应不利于移植细胞的存活。因此,需要进一步研究的主要问题有以下几方面:①胚胎干细胞或神经前体细胞在损伤脊髓的病理环境下的分化规律,明确不同因子对移植细胞的分化和存活影响情况;②在评价胚胎干细胞移植有效性的同时,需要对移植的细胞进行长期的跟踪观察,分析移植细胞的成瘤情况;③探索新的治疗方案,因为脊髓损伤后的病理改变复杂多样,单一的治疗手段仅能部分恢复脊髓的功能,而通过不同治疗方案的联合应用可能能更好促进脊髓损伤的修复。

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Embryonic Stem Cell Transplantation for Spinal Cord Injury(review)

XU Le-qin,DINGDao-fang,LI Xiao-feng,etal.Institute of Spine,Longhua Hospital,ShanghaiUniversity of Chinese Traditional Medicine,Shanghai 200032,China

Transplantation of embryonic stem cells could promote nerve repair by providing nutrients to the injured spinal cord,or differentiating into remyelinating oligodendrocytes or neurons integrating with the host neurons,which has a bright future in the treatment of spinal cord injury.

embryonic stem cell;spinal cord injury;transplantation;regeneration;repair;review

[本文著录格式]徐乐勤,丁道芳,李晓锋,等.胚胎干细胞移植治疗脊髓损伤的研究进展[J].中国康复理论与实践,2011,17(1):51—53.

1.上海市教委创新基金(08-YZ56);2.国家自然科学基金面上项目(30973760);3.上海市科委非政府国际合作项目(10410702800)。

上海中医药大学附属龙华医院,上海中医药大学脊柱病研究所,上海市 200032。作者简介:徐乐勤(1981-),男,福建漳州市人,博士研究生,主要从事中医药促进脊髓神经损伤修复研究。通讯作者:周重建。

R651.2

A

1006-9771(2011)01-0051-03

2010-07-27

2010-11-26)

·社区康复·