脐带间充质干细胞治疗老年中枢神经系统疾病的研究进展

赵璨　冯美江



·讲座与综述·

脐带间充质干细胞治疗老年中枢神经系统疾病的研究进展

赵璨冯美江

老年人中枢神经系统损伤后自身修复能力有限,多数患者遗留有严重后遗症,给本人以及家庭和社会带来了严重影响。近年来,基于脐带间充质干细胞(umbilical cord mesenchymal stem cell, UC-MSC)的细胞替代治疗已成为神经修复的研究热点之一。以往关于胚胎干细胞和骨髓源性干细胞的报道较多,而关于UC-MSC的报道较少,因此本文对UC-MSC的特性及其在治疗老年中枢神经系统疾病方面的研究进展作一综述。

1　干细胞

干细胞是一类具有自我更新能力,在一定条件下可向多种细胞类型分化的细胞群,主要包括胚胎干细胞、骨髓源性干细胞、UC-MSC等。尽管各种干细胞治疗中枢神经系统疾病均具有不同程度的疗效,但是胚胎干细胞存在来源及伦理学等的争议,骨髓源性干细胞存在取材困难、增殖能力随着年龄增长而下降等问题,限制了这些干细胞的应用。UC-MSC来源于新生儿的脐带组织,包括华通胶(Wharton’s jelly, WJ)、血管周围组织、羊膜组织、脐带内膜组织等,其中脐带WJ组织是目前大部分研究分离培养UC-MSC的来源[1-2]。UC-MSC有其特殊的优势,与胚胎干细胞相比,其取材来自作为医疗废物的脐带,变废为宝,避免了伦理学争议,对产妇和新生儿亦无影响;与骨髓源性干细胞相比,UC-MSC取材对供者无创伤,不受供者年龄因素的影响。此外,UC-MSC分离培养简单,扩增迅速,免疫源性较低,无致瘤性,亦可作为基因治疗的细胞载体,是细胞移植治疗的理想种子细胞,目前已广泛应用于临床多种疾病的治疗[3-4]。

2　UC-MSC

2.1UC-MSC的一般生物学特性自脐带分离和培养的UC-MSC多于24～48 h贴壁,形态多为梭形或三角形,呈成纤维细胞样平行生长或旋涡状生长。UC-MSC具有与其他间充质干细胞相似的细胞表面标记分子,即高表达间充质细胞表面标记分子CD73、CD90、CD105等,但不表达造血系标志物(CD34,CD45,CD14等)、内皮细胞标志(CD31、CD33等)及人白细胞抗原(human leucocyte antigen, HLA)-DR等[5]。UC-MSC表面缺乏特异性表面抗原,且只表达主要组织相容性复合体分子Ⅰ(major histocompatibility complexⅠ, MHC-Ⅰ)而不表达MHC-Ⅱ,因此其免疫源性较弱,不易引起宿主的排斥反应,有利于细胞异体移植[6]。

2.2UC-MSC向神经样细胞分化的能力UC-MSC具有自我更新和多向分化的潜能,经诱导后可分化为各种细胞类型。研究发现,在合适的诱导环境中UC-MSC可向小胶质细胞、星形胶质细胞、神经细胞等方向分化,并表达神经元特异性蛋白[5, 7-8]。未分化的UC-MSC可自发少量表达一些神经原标志物,如神经元核抗原、神经丝蛋白以及胶质细胞标志物如神经胶质纤维酸性蛋白等,还有研究发现UC-MSC会优先向神经样细胞分化[9]。这种多向分化潜能为UC-MSC作为种子细胞治疗各类疾病提供了条件。此外已有研究证明,UC-MSC在体外长期培养传代的恶变率较低,作为替代治疗的种子细胞具有较高的安全性[10]。

2.3UC-MSC的治疗方式目前干细胞治疗中枢神经系统疾病的主要方式有:脑立体定位注射、鞘内注射、外周血管输注、腹腔注射等。脑立体定位注射可将细胞直接给予至病变区域,但该方式存在创伤性,且输注的细胞可能会在脑中存在一定的容积效应,具有一定的风险性;鞘内注射也有一定的创伤性,且往往需要反复注射;静脉或腹腔注射相对损伤较小,病人易于接受,但通过这种方式输注的细胞能否通过血脑屏障到达病灶区域是决定细胞治疗有效性的关键因素之一。目前多数研究表明,外周注射的UC-MSC具有向颅脑内病灶部位迁移的能力[11-12]。

2.4UC-MSC治疗神经系统疾病的机制UC-MSC在中枢神经系统疾病中发挥治疗作用主要与以下几种机制有关:(1)细胞替代作用。未分化的UC-MSC在进入人体后可定植在病变区域,部分分化为神经样细胞替代已经衰老或死亡的原有神经细胞。也可将UC-MSC在体外定向诱导分化为特定疾病所缺失的细胞类型再用于细胞替代。(2)内分泌作用。UC-MSC在未分化的状态下,即能表达一些营养因子,如血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)、脑源性神经营养因子、神经营养素3等。在移植入体内后,这些因子可持续表达,一方面改善局部脑内微环境,修复损伤的病灶,另一方面启动内源性神经干细胞的激活与分化,促进神经元的存活与再生,从而发挥神经修复作用[13-14]。(3)免疫调节和抗炎作用。UC-MSC 可调节淋巴细胞、自然杀伤细胞、树突状细胞等,抑制局部炎性反应,减轻炎症损伤,来发挥免疫调节和抗炎作用[4, 15]。(4)作为基因载体。UC-MSC可作为基因表达载体,移植后除细胞替代作用,还可持续表达某些基因起治疗作用。

3　UC-MSC治疗老年神经系统疾病的现状

3.1UC-MSC与帕金森病(PD)PD是常见的老年神经退行性疾病之一,其主要病理变化为中脑黑质区的多巴胺能神经元进行性变性、缺失,脑内多巴胺能神经递质分泌不足,病情会随着年龄增加逐渐恶化。Weiss等[16]将未分化的UC-MSC 移植到6-羟基多巴诱导的PD模型大鼠纹状体内,改善了由阿扑吗啡诱导的旋转行为,并发现PD大鼠黑质和腹侧被盖区的酪氨酸羟化酶阳性细胞数与其行为学的改善程度呈正相关。Xiong等[17]将VEGF载入UC-MSC,然后移植入鱼藤酮诱导的PD模型大鼠的纹状体中,发现大鼠的旋转行为明显改善,黑质区的多巴胺神经元丧失减少,并观察到VEGF的表达可促进UC-MSC的神经保护作用。这些结果表明UC-MSC/基因联合治疗的疗效可能更优于单独采用UC-MSC 移植,UC-MSC今后有可能成为PD基因治疗的理想载体细胞。目前国内已有机构开展将UC-MSC应用于临床治疗PD患者的工作,并发现接受移植后的患者PD综合评分量表分值降低,部分临床症状如静止性震颤、运动迟缓等得到了一定程度的改善,但远期疗效有待进一步观察[18-19]。国外应用UC-MSC治疗PD患者的报道目前尚不多。

3.2UC-MSC与阿尔茨海默病(AD)AD是一种发生于老年期的以进行性认知和记忆功能障碍为主的中枢神经系统退行性疾病,可能与胆碱能神经元的丧失有关,目前尚无针对AD的有效治疗手段[20]。Liang等[21]将UC-MSC分离并培养在含有骨形态发生蛋白4和成纤维细胞生长因子8的培养基中,发现UC-MSC在体外可经诱导分化为胆碱能样神经元,诱导后的细胞呈球状,可表达胆碱能神经元标志物胆碱乙酰基转移酶,诱导后的细胞还可分泌乙酰胆碱。Yang等[22]通过磷脂酰胆碱特异性磷脂酶C的特异性抑制剂D609诱导UC-MSC分化为神经元样细胞,并将诱导后的细胞植入AβPPswe/PS1转基因AD小鼠模型中,观察到移植后的小鼠β-淀粉样蛋白沉积减少、记忆力增强,并发现这一作用与小胶质细胞活化和神经炎症的调节有关。研究人员已经开展了关于UC-MSC作用于AD的临床试验 (http://clinicaltrials.gov),但目前国内外尚无关于其应用于人体后疗效的明确报道。

3.3UC-MSC与脑缺血损伤缺血引起的脑损伤会导致严重的脑功能缺陷,UC-MSC移植为治疗脑缺血损伤提供了新思路[23]。报道认为,UC-MSC对缺血性脑损伤疗效显著。Cheng等[15]将UC-MSC通过尾静脉注射入大脑中动脉闭塞模型小鼠体内,发现其神经损害明显减轻、脑水肿和梗死面积明显减轻,并发现这种保护作用可能与UC-MSC通过调节TGF-β来调控Th17/Treg细胞并抑制外周炎症因子有关。Zhu等[24]发现UC-MSC移植可促进脑卒中模型小鼠神经功能的恢复及缺血半球的血管生成,并观察到这种保护作用可能和移植后的UC-MSC分泌VEGF有关。这些研究说明UC-MSC能够用于脑缺血损伤的保护性治疗。目前国外报道临床应用UC-MSC治疗脑缺血损伤的文献较少,仅为个案报道。国内已有相关机构开展了UC-MSC治疗脑梗死的临床研究,有研究指出鞘内注射联合静脉滴注给予US-MSC对治疗脑梗死后运动功能障碍疗效明显[25],但目前其他类似报道尚不多。

3.4UC-MSC与其他神经系统疾病除上述疾病外,现已有多个国家和地区将UC-MSC应用于血管性痴呆、亨廷顿病、脊髓损伤等中枢神经系统修复治疗的探索中,并取得了一定程度的疗效[4,26-27]。此外,国内已有一些研究将UC-MSC应用于其他系统疾病如糖尿病、系统性红斑狼疮等的临床研究中,亦证实UC-MSC移植能修复和改善患者的功能[4,28-29]。

4　问题与展望

UC-MSC细胞治疗技术在全世界发展日新月异,而老年人在中枢神经系统损伤后自身修复能力有限,细胞替代治疗已成为目前治疗神经系统疾病的重点研究领域。2009 年3 月卫生部公布第三类医疗技术目录,其中首批允许临床应用的第三类医疗技术目录包括细胞移植治疗技术。目前学界已经建立了较为成熟的分离、扩增UC-MSC的方法,并有较多动物模型实验报道肯定了UC-MSC对神经系统疾病的疗效,但将其应用于临床治疗老年中枢神经系统疾病还有很多问题需要解决,如明确移植适应证、禁忌证、并发症、时间窗、远期疗效和安全性以及完善相关法律和行业规范等。尽管目前UC-MSC在临床应用中还处于起步阶段,但我们坚信随着研究进一步深入,UC-MSC在治疗老年中枢神经系统疾病领域必将展现广阔前景。

[1]Watson N, Divers R, Kedar R, et al. Discarded Wharton jelly of the human umbilical cord: a viable source for mesenchymal stromal cells[J]. Cytotherapy, 2015, 17(1):18-24.

[2]Pirjali T, Azarpira N, Ayatollahi M, et al. Isolation and characterization of human mesenchymal stem cells derived from human umbilical cord wharton’s jelly and amniotic membrane[J]. Int J Organ Transplant Med, 2013, 4(3):111-116.

[3]Ding DC, Chang YH, Shyu WC, et al. Human umbilical cord mesenchymal stem cells: a new era for stem cell therapy[J]. Cell Transplant, 2015,24(3):339-347.

[4]El Omar R, Beroud J, Stoltz JF, et al. Umbilical cord mesenchymal stem cells: the new gold standard for mesenchymal stem cell-based therapies?[J]. Tissue Eng Part B Rev, 2014, 20(5):523-544.

[5]Fong CY, Subramanian A, Biswas A, et al. Derivation efficiency, cell proliferation, freeze-thaw survival, stem-cell properties and differentiation of human Wharton’s jelly stem cells[J]. Reprod Biomed Online, 2010, 21(3):391-401.

[6]De Miguel MP, Fuentes-Julian S, Blazquez-Martinez A, et al. Immunosuppressive properties of mesenchymal stem cells: advances and applications[J]. Curr Mol Med, 2012, 12(5):574-591.

[7]Messerli M, Wagner A, Sager R, et al. Stem cells from umbilical cord Wharton’s jelly from preterm birth have neuroglial differentiation potential[J]. Reprod Sci, 2013, 20(12):1455-1464.

[8]李慧, 赵璨, 张华, 等. 脐带间充质干细胞源性多巴胺能神经元中脑源性神经生长因子的表达研究[J]. 实用老年医学, 2013,27(9):734-737.

[9]Fu YS, Shih YT, Cheng YC, et al. Transformation of human umbilical mesenchymal cells into neurons in vitro[J]. J Biomed Sci, 2004, 11(5):652-660.

[10]Shi Z, Zhao L, Qiu G, et al. The effect of extended passaging on the phenotype and osteogenic potential of human umbilical cord mesenchymal stem cells[J]. Mol Cell Biochem, 2015, 401(1/2):155-164.

[11]Fan C, Wang D, Zhang Q, et al. Migration capacity of human umbilical cord mesenchymal stem cells towards glioma in vivo[J]. Neural Regen Res, 2013, 8(22):2093-2102.

[12]潘凤华, 丁新生, 丁海霞, 等. 人胚神经干细胞及人脐血干细胞治疗大鼠脑缺血的实验研究[J]. 南京医科大学学报: 自然科学版, 2009,29(11):1508-1513.

[13]Hsieh JY, Wang HW, Chang SJ, et al. Mesenchymal stem cells from human umbilical cord express preferentially secreted factors related to neuroprotection, neurogenesis, and angiogenesis[J]. PLoS One, 2013, 8(8):e72604.

[14]Alder J, Kramer BC, Hoskin C, et al. Brain-derived neurotrophic factor produced by human umbilical tissue-derived cells is required for its effect on hippocampal dendritic differentiation[J]. Dev Neurobiol, 2012, 72(6):755-765.

[15]Cheng Q, Zhang Z, Zhang S, et al. Human umbilical cord mesenchymal stem cells protect against ischemic brain injury in mouse by regulating peripheral immunoinflammation[J]. Brain Res, 2015, 1594:293-304.

[16]Weiss ML, Medicetty S, Bledsoe AR, et al. Human umbilical cord matrix stem cells: preliminary characterization and effect of transplantation in a rodent model of Parkinson’s disease[J]. Stem Cells, 2006, 24(3):781-792.

[17]Xiong N, Zhang Z, Huang J, et al. VEGF-expressing human umbilical cord mesenchymal stem cells, an improved therapy strategy for Parkinson’s disease[J]. Gene Ther, 2011, 18(4):394-402.

[18]卢爱丽. 脐带间充质干细胞治疗帕金森病的疗效[J]. 中国老年学杂志, 2013, 33(21):5245-5247.

[19]季兴, 李波, 李婛, 等. 脐带间充质干细胞移植治疗帕金森病效果分析[J]. 中国实用神经疾病杂志, 2014, 17(2):8-10.

[20]李春艳. 中国阿尔茨海默病流行病学现状及三级预防对策研究[J]. 实用老年医学, 2013, 27(7):604-606.

[21]Liang J, Wu S, Zhao H, et al. Human umbilical cord mesenchymal stem cells derived from Wharton’s jelly differentiate into cholinergic-like neurons in vitro[J]. Neurosci Lett, 2013, 532:59-63.

[22]Yang H, Xie Z, Wei L, et al. Human umbilical cord mesenchymal stem cell-derived neuron-like cells rescue memory deficits and reduce amyloid-beta deposition in an AbetaPP/PS1 transgenic mouse model[J]. Stem Cell Res Ther, 2013, 4(4):76.

[23]Li Y, Hu G,Cheng Q. Implantation of human umbilical cord mesenchymal stem cells for ischemic stroke: perspectives and challenges[J]. Front Med, 2015, 9(1):20-29.

[24]Zhu J, Liu Q, Jiang Y, et al. Enhanced angiogenesis promoted by human umbilical mesenchymal stem cell transplantation in stroked mouse is Notch1 signaling associated[J]. Neuroscience, 2015, 290:288-299.

[25]胡晴, 曹梦莹, 李瑞芳, 等. 脐带间充质干细胞治疗脑梗死的安全性与有效性[J]. 武汉大学学报: 医学版, 2013, 34(1): 57-60.

[26]Fink KD, Rossignol J, Crane AT, et al. Transplantation of umbilical cord-derived mesenchymal stem cells into the striata of R6/2 mice: behavioral and neuropathological analysis[J]. Stem Cell Res Ther, 2013, 4(5):130.

[27]Shang AJ, Hong SQ, Xu Q, et al. NT-3-secreting human umbilical cord mesenchymal stromal cell transplantation for the treatment of acute spinal cord injury in rats[J]. Brain Res, 2011, 1391:102-113.

[28]Wang D, Li J, Zhang Y, et al. Umbilical cord mesenchymal stem cell transplantation in active and refractory systemic lupus erythematosus: a multicenter clinical study[J]. Arthritis Res Ther, 2014, 16(2):R79.

[29]Kong D, Zhuang X, Wang D, et al. Umbilical cord mesenchymal stem cell transfusion ameliorated hyperglycemia in patients with type 2 diabetes mellitus[J]. Clin Lab, 2014, 60(12):1969-1976.

江苏省“六大人才高峰”基金资助项目(2010-WS-030)

210011江苏省南京市，南京医科大学第二附属医院老年医学科

冯美江，Email：mjfeng416@aliyun.com

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2015-03-24)