干细胞在神经病理性疼痛治疗中的研究进展*

王雨竹 吴安石 岳 云

（首都医科大学附属北京朝阳医院麻醉科，北京100020）

一、引言

疼痛是机体对外界伤害或内在疾病的反应机制，正常痛觉对个体感知危险和躲避危害至关重要。现代医学将疼痛列为除呼吸、脉搏、血压、体温之外的第五大生命体征。2002 年国际疼痛学会(International Association for the Study of Pain, IASP) 专家共识正式将慢性疼痛定义为一种疾病。依据病理机制，慢性疼痛可分为伤害性/炎症性疼痛和神经病理性疼痛(neuropathic pain)。前者的痛觉感受正常，而后者常伴有自发性疼痛(spontaneous pain)、痛觉过敏(hyperalgesia) 及痛觉超敏(allodynia)。病人的痛觉感受异常强烈，疼痛评分显著高于其他慢性疼痛人群，生活质量显著低于非神经病理性慢性疼痛病人，伴发睡眠障碍和精神障碍的概率显著增高[1]。神经病理性疼痛是极具异质性的一类疾病，其病程迁延，常规的神经阻滞、外科手术、以及阿片类强镇痛药物的治疗效果都不甚理想，一直是疼痛治疗领域的难题。与此同时，神经病理性疼痛的发病率也不断增加，2017年一项流行病学调查显示，神经病理性疼痛的发病率在50岁以上人群中高达8.9%，在50岁以下人群中也占5.6%[2]，给家庭和社会医疗系统带来沉重负担，成为疼痛领域亟需解决的难题之一。近年来，随着人们对干细胞领域研究的不断深入，国内外学者开始尝试将干细胞移植用于神经病理性疼痛的治疗。本文归纳总结了神经病理性疼痛治疗相关的干细胞类别，阐述干细胞移植应用于神经病理性疼痛治疗的新进展，围绕干细胞在神经病理性疼痛治疗中的前景与问题展开讨论，为后继研究提供参考与启示。

二、概述

神经病理性疼痛是由躯体感觉系统的损害或疾病导致的疼痛[3]。外周的疼痛信号经脊髓背角，向中脑导水管周围灰质传递。中脑蓝斑、中缝大核和临近网状结构参与痛觉信号调控，并投射至大脑皮层[4]。这一通路上任何环节发生异常，均有可能导致神经病理性疼痛的发生。神经病理性疼痛多表现为自发性疼痛或诱发性疼痛，前者包括无明显诱因的阵发性刺痛或表面烧灼样疼痛，后者包括机械诱发或热诱发痛（即正常非致痛性触碰或温度即引起剧烈疼痛）和痛觉过敏（对正常致痛性刺激的敏感阈值降低），可伴有感觉异常或感觉减退[3]。多数神经病理性疼痛在诱发因素消除或原发病治愈后长期存在，给病人带来极大的痛苦。

神经病理性疼痛的病因包括：周围神经系统损伤、中枢神经系统损伤、多发性神经病(polyneuropathies)和复杂的神经性疾病(complex neuropathic disorders)[5]。其发病机制尚未完全明确，可能涉及神经元、炎症免疫细胞、神经胶质细胞间相互作用、外周/中枢敏化、炎症因子和抗炎因子的瀑布式级联反应[6]。由于疾病的异质性，临床上对于神经病理性疼痛的治疗效果多不理想。目前，药物治疗仍是神经病理性疼痛最主要的治疗方式，但IASP推荐的一线治疗药物（钙离子通道调节剂、抗抑郁药、抗癫痫药、局部麻醉药贴剂等）对神经病理性疼痛的缓解有限，且随着用药时间的延长，药物的药效逐渐下降。其他治疗方法包括神经调控技术（神经电刺激、鞘内药物输注）、微创治疗（神经阻滞、射频治疗、神经毁损）和手术治疗，但疗效也不尽理想[7]。

三、干细胞治疗在神经病理性疼痛疾病模型中的研究

干细胞是一类具有自我复制能力(self-renewing) 的多潜能细胞。在一定条件下可分化为多种细胞。哺乳动物干细胞依据细胞的发育潜能可分为全能干细胞(totipotent stem cell, TSC)、多能干细胞(pluripotent stem cell) 和专能干细胞(unipotent stem cell)。依据细胞发育阶段，可分为胚胎干细胞(embryonic stem cells)和成体干细胞(adult stem cells)。干细胞移植途径包括静脉输注、腹膜腔内输注、损伤处原位输注、鞘内输注、侧脑室输注等。目前用于神经病理性疼痛治疗研究的干细胞主要分为三类，分别是神经干细胞(neural stem cells)、间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSC)、和诱导的多能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPSC)。

1.神经干细胞在神经病理性疼痛治疗中的作用

（1）胚胎干细胞诱导的神经干细胞：人类卵子在受精后4～5天，胚胎到达囊胚期，由50～150个细胞组成，即为早期胚胎。胚胎干细胞源于早期胚胎胚泡的内部细胞群，具有多能性。理论上，在特定的环境刺激下，胚胎干细胞可以发展成成人身体的200多种细胞类型。目前胚胎干细胞研究多利用了小鼠胚胎干细胞或人类胚胎干细胞。早期胚泡内部细胞群中提取的胚胎干细胞需要非常特殊的环境以维持未分化的状态，如血清培养基中需要存在白血病抑制因子(LIF)、成纤维细胞生长因子(bFGF或FGF-2等)，否则将会迅速分化[8]。在神经病理性疼痛治疗的相关研究中，胚胎干细胞多在体外被诱导分化为神经前体细胞或干细胞。

2005年，Cummings BJ等人首次将人类干细胞在体外诱导分化后移植给小鼠，并在一定程度上缓解小鼠脊髓损伤症状。后续研究证实，将人类胚胎干细胞诱导分化或进行重组后的神经元前体移植给脊髓损伤小鼠，可以减轻脊髓损伤后的小鼠膀胱功能障碍和神经病理性疼痛[9,10]。移植的神经干细胞几乎只会分化成为星形胶质细胞，只有极少数分化为少突胶质细胞和神经元[11]。这表明神经干细胞移植后的神经功能改善，主要得益于星形细胞提供的营养支持性作用[11]。移植的干细胞可以提供保护性的微环境，分泌多种神经营养因子，如神经生长因子(nerve growth factor, NGF)、脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor, BDNF)、神经营养因子3(neurotrophin 3) 等，促进神经元的修复和再生。

（2）成体神经干细胞：除外胚胎干细胞诱导分化途径，神经干细胞还可以从成年哺乳动物大脑侧脑室的室管膜下区(subventricular zone, SVZ) 和海马体齿状回(dentate gyrus, DG) 的颗粒下层(subgranular zone, SGZ) 获得[12]。这些多潜能前体细胞在培养过程中能够不断生长和自我更新，并保持着分化为成熟的具有功能的神经细胞的能力。

神经受损后发生病理性修复，当神经受损断端形成神经瘤，导致经传导改变和神经自发性放电等现象，被认为是引起病理性神经痛的重要原因之一。神经病理性疼痛病变机制涉及神经细胞损伤，神经干细胞可能是干细胞治疗神经病理性疼痛中的优先选择。相关研究表明，损伤部位的神经干细胞能促进神经修复，从而减少痛觉过敏和异位疼痛等神经病理性疼痛的症状[13]。通过分离啮齿类动物室管膜下区神经干细胞，并标记上绿色荧光蛋白(green fluorescent protein, GFP) 报告基因，研究者已经能够追踪移植神经干细胞的迁移路线并对干细胞移植的效率进行定位和定量检测，从而监测干细胞移植的安全性和有效性（Hofstetter CP等.2005）。新近研究发现，低氧可诱导神经干细胞过表达血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)，诱导血管生成，促进损伤神经单元的修复，提高神经干细胞治疗神经病理性疼痛的安全性和治疗效率[14]。

目前神经干细胞移植多使用从啮齿动物SVZ区中分离出来的前体细胞或神经干细胞，并以啮齿动物为模型进行移植治疗。尽管有研究尝试将神经干细胞移植应用于慢性疼痛病人，但其对病人神经功能恢复及疼痛改善的影响仍有待商榷[15,16]。神经干细胞由基础实验室向临床转变的过程还存在一些问题，包括神经干细胞的供体来源问题，以及干细胞移植于神经受损处后的存活率问题。此外，还有研究观察到神经干细胞移植后发生异位疼痛现象[11]，这在一定程度上影响了神经干细胞移植在临床治疗神经病理性疼痛中的应用。鉴于自体神经干细胞获取困难，越来越多的学者开始关注分布广泛而易于获取的间充质干细胞。

分类 优点 现存问题 治疗效果 参考文献神经干细胞(胚胎诱导的神经干细胞；成体神经干细胞)神经系统同源；主要分化为星形胶质细胞，分泌神经营养因子；供体细胞来源困难；需要体外诱导；维持分化潜能需要特殊条件；改善运动功能；缓解痛觉超敏； [8～14]间充质干细胞(骨髓间充质干细胞；脂肪组织源性干细胞；脐带间充质干细胞；)供体来源较易；可自体移植；移植方式灵活；易于体外扩增；低免疫原性，高组织相容性；需要一定条件维持定向分化；改善运动功能；缓解机械痛敏和热痛敏；抑制炎症反应；[17～32]诱导的多能干细胞 避免伦理问题；可自体移植； 基因突变；基因编辑效率； 缓解慢性疼痛； [33,34]

2.间充质干细胞在神经病理性疼痛治疗中的作用

间充质干细胞来源于胚胎发育早期的中胚层，在体内或体外特定的条件下可诱导分化为脂肪、骨、软骨、肌肉、肌腱、韧带、神经、肝、心肌、内皮等多种组织。同时，间充质干细胞也可从不同来源的组织中分离出来，包括骨髓、脐带、胎盘、脂肪组织、牙髓、胎儿肝脏、肺等。在某些特殊情况下，间充质干细胞有转化为神经元或星形胶质细胞的潜力[17～19]。最具代表性的间充质干细胞是骨髓间充质干细胞和脂肪间充质干细胞。有学者认为，脂肪间充质干细胞是由骨髓间充质干细胞迁移至脂肪组织而成，因而这两种间充质干细胞表型差异甚微[20]。此外，其他类型间充质干细胞，如脐带血间充质干细胞和羊膜间充质干细胞也受到广泛关注。

（1）骨髓间充质干细胞(bone marrow MSC,BMSC)：骨髓由骨髓实质（造血成分）和骨髓基质（血管成分）组成。其中，骨髓实质包含造血干细胞和造血祖细胞，骨髓基质包含多种非造血祖细胞。骨髓的间充质干细胞可以从造血细胞中分离出来，并可分化为成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、肌细胞和星形胶质细胞。在体外培养条件下，将骨髓间充质干细胞扩增104倍，其多项分化潜能依旧不受影响。在以啮齿类动物为模型的研究中，骨髓间充质干细胞可缓解机械性损伤所致的坐骨神经痛[21]，和非机械性糖尿病周围神经病变导致的病理性神经痛[22]。研究表明，骨髓间充质干细胞不仅能在一定程度上缓解神经病理性疼痛的症状，还能调节神经损伤相关炎症反应[23]，通过下调促炎因子水平，激活抗炎因子表达[24]，打破神经炎症反应的恶性循环，缓解神经病理性疼痛的病程进展。

骨髓间充质干细胞的另一优点在于移植方式的灵活性。相关动物模型的移植方法包括侧脑室输注[25]、鞘内输注[26]、尾静脉注射[27]、原位移植[28]等。且无论通过何种方法进行移植，人类来源的骨髓间充质干细胞均能减少神经病理性疼痛模型鼠循环系统中炎症因子水平，并在受损的脊髓或外周神经周围富集，缓解机械痛敏及热痛敏症状。更值得注意的是，有研究显示，骨髓间充质干细胞的治疗效果可持续至移植术后三个月[27]。研究者还通过移植前对骨髓基质干细胞亚型的筛选，提高移植干细胞对炎症因子的抑制程度，更加有效的缓解疼痛水平。与此同时，相对单一的细胞亚型保障了干细胞移植治疗的安全性[29]。

（2）脂肪组织源性干细胞(adipose tissue derived MSC, ASC)：脂肪组织源性干细胞位于皮下脂肪组织，其优势在于获取这些细胞所造成的创伤更小，更易进行于自体移植而无需外源供体，这最大程度的降低了移植物与宿主的组织不相容性。新近研究显示，人类来源的脂肪组织源性干细胞可以有效缓解小鼠神经病理性疼痛症状[30]。研究收集吸脂整形手术捐献者的脂肪组织，在体外扩增后提取脂肪组织源性干细胞，通过鼠尾静脉移植给坐骨神经痛模型小鼠，并改善其病理性神经痛的症状。该研究不仅证实脂肪组织源性干细胞治疗神经病理性疼痛的安全性和有效性，还首次提出优化的治疗方案，即在第一次干细胞移植治疗效果开始减退时，进行第二次补充性移植，能够产生更加快速、持久的治疗效果[30]。脂肪组织源性干细胞除了低免疫原性的优势，还具有高免疫调节性的特点[30]，不少研究指出脂肪组织源性干细胞在治疗神经病理性疼痛中显示出有效的抗炎效果[30]，而神经炎症反应在神经病理性疼痛的发生发展中起着至关重要的作用[31]。这些特性使得脂肪组织源性干细胞在神经病理性疼痛的治疗中具有很大的潜力。

（3）脐带间充质干细胞(umbilical cord-derived mesenchymal stem cells, UCMSC)：脐带间充质干细胞是另一类易于获取的干细胞来源。人类新生儿脐带包含两条脐动脉和一条脐静脉，共同包裹在一个特殊的被称为Wharton' s jelly的粘液结缔组织中，并由羊膜上皮覆盖。通过不同的方法，间充质干细胞可从脐带组织的不同间隔中分离出来。脐带间充质干细胞拥有与胚胎干细胞相似的基因表达谱系其收集方法更符合伦理要求。脐带间充质干细胞不仅具有比骨髓间充质干细胞更快的自我更新速度，还有其他诸多吸引人的优势，包括：①采集过程的非侵入性；②脐带间充质干细胞不仅可供异体移植，还可长期保存做自体移植；③相对其他来源的间充质干细胞，脐带间充质干细胞移植感染率较低；④脐带间充质干细胞在宿主体内恶变风险相对较低；⑤低免疫原性；⑥良好的免疫抑制作用；⑦最后，也是最具有吸引力的一点，脐带间充质干细胞具有多潜能性。目前尚不清楚何种隔间来源的脐带间充质干细胞最适于神经病理性疼痛的治疗，但研究表明脐带间充质干细胞移植有益于脊髓损伤大鼠伤口愈合和运动恢复。也有报道指出脐带间充质干细胞移植对疼痛症状的缓解作用有限[32]，不同研究结果的差异可能与干细胞移植后分化为不同亚型相关。脐带间充质干细胞移植后定向分化的调控仍需进一步研究。

3.诱导的多能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPSC)

iPSCs是通过人工诱导非多能性细胞表达某种特定基因得到的多能干细胞。iPSCs和天然多功能干细胞在很多方面具有相似性，且同样具有分化潜能。iPSC 不仅可以规避免疫排斥的风险，还能避免使用胚胎干细胞带来的伦理争议。可用于诱导iPSCs的基因组合包括：Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc组合，和Oct4、Sox2、Lin28、Nanog组合，研究发现通过病毒把它们一起转入小鼠的成纤维细胞，可以诱导成纤维细胞重新回到胚胎干细胞状态。目前诱导iPSCs的方法主要有3种：第一种是通过转录因子实现细胞关键信号的开闭，实现普通细胞转化为干细胞；第二种是利用化学分子组合实现普通细胞转化为干细胞。第三种是通过CRISPR激活系统靶向内源基因Oct4和Sox2，精确重塑这两个基因位点的表观特征[33]。通过使用CRISPR-Cas9系统靶向激活内源Oct4或Sox2基因，可以成功实现体细胞多能性的诱导。目前已有研究将iPSCs用于慢性疼痛的治疗，但用于治疗神经病理性疼痛的相关研究鲜有报道[34]。尽管iPSCs有诸多优点，但需要研究者重视的是，病毒基因可能导致基因组的不稳定，诱发基因突变，同时iPSC 的基因编辑效率尚有待提高。

四、干细胞移植相关问题及展望

近年来，干细胞作为治疗神经病理性疼痛的新方案引起了很多关注，越来越多的动物试验证明的干细胞在缓解神经病理性疼痛中的积极作用。相对于目前的临床治疗方法，干细胞治疗的优点在于：①治疗周期短，单次移植治疗就能缓解机械痛敏和热痛敏的症状；②起效迅速并且疗效持久[27]；③能在一定程度上缓解炎症反应，改善运动功能。而以往以药物为基础治疗方案需要相对较长的起效时间和治疗疗程，常需要联合用药。联合用药增加了药物相互作用的风险，并可能增加病人的治疗矛盾。其他治疗方式则多涉及有创操作，单独难以满足治疗需要，且可能存在复发。而干细胞在神经病理性疼痛治疗中的应用不仅能够控制疼痛症状，更可能作为一种神经免疫及炎症系统中的调节因子，打破疾病发生发展过程中的恶性循环，改善神经局部微环境并减轻全身炎症反应。

尽管干细胞移植具有上述积极的结果和优势，目前想实施一个成功的临床干细胞移植仍有很多问题需要考虑。包括移植细胞的类型及来源、移植的方法和途径、移植的剂量和浓度、移植后的干细胞的存活情况、移植的效率、移植细胞在宿主体内的迁移情况，以及最终评判移植效果的标准。以移植方法为例，将干细胞移植到受损组织是最直接的方法，但有潜在的出血及二次损伤的风险；而通过血液输注的方法虽然简单易行，但移植效率较低，且涉及到宿主免疫系统可能产生抗移植物反应，或移植的细胞没有迁移到需要治疗的受损组织，而是随血液循环抵达、滞留在其他组织，导致移植失败甚至不良反应和严重并发症。比如，移植干细胞在宿主体内的迁移问题一直备受争议，尽管有研究表明通过血液移植的神经干细胞[13]和间充质干细胞[27]均能特异性的富集于神经受损处而非机体其他组织，但细胞移植仍存在潜在危险性。已有研究证实肺组织对移植干细胞的首过消除效应[35]，而肺在全身炎症反应中有极高的易感性，其清除异源移植物的同时，有可能造成自身损伤。一些研究尝试通过增加移植干细胞数量的方法增加移植效率，但这可能引发另一些问题，如移植干细胞自主分泌的生物活性物质可能对宿主产生影响，甚至发生移植物抗宿主反应。此外，虽然移植的干细胞本身恶变的可能性不大，但移植干细胞能够明显抑制宿主自身的免疫反应，这可能导致宿主罹患肿瘤的危险性增加[36]。

尽管目前干细胞移植在神经病理性疼痛的治疗方法应尚需完善，多数报道表明干细胞移植的安全性及优效性[29,30,37]。干细胞移植在神经病理性疼痛的治疗中充满希望与挑战，从实验室到临床，干细胞移植治疗神经病理性疼痛还有很多问题需要研究，但有希望成为安全、高效治疗神经病理性疼痛的新方法。