干细胞移植治疗早产儿脑白质损伤研究进展*#

2021-07-19应俊杰李世平屈艺母得志

四川生理科学杂志 2021年5期

应俊杰* 李世平屈艺母得志

（四川大学华西第二医院儿科/出生缺陷与相关妇儿疾病教育部重点实验室，四川成都 610041）

早产儿是指出生时胎龄37周以内的新生儿，各器官系统发育尚不完善，并发症发生率和死亡率远远高于足月儿。据世界卫生组织报道，全世界范围内每年大约有1500万早产儿（约占新生儿的十分之一）。其中，中国早产儿数量居世界第二，高达117万多人，仅次于印度[1]。最近的研究发现，早产是5岁以内儿童死亡的主要原因，约占新生儿死亡的三分之一[2,3]。近年来，随着早产儿护理以及新生儿重症监护诊疗技术的革新，大大提升了早产儿以及极低体重早产儿（<1.5 kg）的存活率，但慢性神经功能障碍的早产儿比例也随之上升[4]。在存活的早产儿中，约有10%患儿具有明显的永久性运动功能障碍[5,6]。不仅如此，约25%~50%的早产儿神经发育受到影响，具体表现为认知和社会行为障碍，以及注意力和学习障碍，甚至5%~10%的早产儿出现脑瘫，严重影响了患儿以及家庭的生活，也给社会带来了沉重的负担[7-9]。

早产儿脑白质损伤（Preterm white matter injury，PWMI）是一种严重的新生儿脑损伤，会造成患儿神经系统后遗症，如脑瘫、视听功能异常、认知障碍等，目前临床上尚缺乏有效的治疗手段[7]。PWMI又可分为两种类别：脑室周围白质软化（Periventricular leukomalacia，PVL）和弥漫性白质损伤（Diffuse white matter injury，dWMI）。PVL多见于早产儿缺血缺氧性脑实质损伤，会引起脑室周围白质软化，少突胶质细胞受损，具体表现为局灶性脑白质损伤（Punctate white matter damage，PWMD），通过颅脑超声、CT、MRI等可直接观察到脑白质损伤影像学改变[10,11]。dWMI的发生则更为隐蔽，主要因脑白质微环境的改变，导致整个脑部的髓鞘形成受阻[12,13]。目前研究发现，约有80%PWMI都是以dWMI形式发生[13]。然而无论是PVL还是dWMI，目前都没有有效的治疗方案。近年来，干细胞移植已被应用于肾脏、心脏等多种器官损伤修复中，治疗效果显著[14,15]。在神经系统疾病的研究中，干细胞治疗也逐渐开展，迄今为止，已有超过200项应用各种干细胞方法治疗神经系统疾病的临床研究（Clinicaltrials.gov）登记在案，其中大多数已在成人多发性硬化症、中风和脊髓损伤等疾病治疗中应用。因此，干细胞移植也有望应用于儿童神经系统疾病的治疗，成为治疗PWMI的一种新方法。

本文综述了近年来PWMI的发生机制研究及干细胞治疗PWMI的研究现状，并分析了干细胞移植治疗PWMI的优化策略，旨在为干细胞治疗PWMI的临床应用提供参考。

1 早产儿脑白质损伤发生机制

在PWMI中，髓鞘形成障碍是区别于其他新生儿脑损伤的重要特征。髓鞘形成障碍主要由少突胶质细胞成熟异常引起。少突胶质细胞的发育通常包括四个阶段：起源于大脑内源性干细胞的神经组细胞（Neural progenitor cells，NPC），发育为少突胶质细胞前体细胞（Oligo-dendrocyte precursor cells，OPCs），当其迁移到特定的大脑区域后，OPCs增殖并分化为未成熟的少突胶质细胞（Premyelinating oligodendrocytes，pre-OLs），并最终分化为髓鞘化成熟的少突胶质细胞（Myelinating oligo- dendrocyte，MO），直接参与神经髓鞘的形成[16]。

WMI 通常发生于人类胎龄23~32 周，此阶段正是OPCs向pre-OLs分化阶段[16]，OPCs和pre-OLs对缺氧缺血（Hypoxia-ischemia，HI）十分敏感，如果胎儿在此阶段发生缺氧缺血，会严重影响OPCs的分化成熟，引起髓鞘形成减少，最终导致WMI的发生，见图1。

2 干细胞移植治疗早产儿脑白质损伤研究现状

干细胞是一类具有多向分化潜能的细胞，能够有效修复组织和器官损伤，并显著改善微环境[17,18]。目前研究应用的干细胞通常有间充质干细胞（Mesenchymal stem cells，MSCs）、诱导多能干细胞（Induced pluripotent stem cells，iPSCs）、胚胎干细胞（Embryonic stem cell，ESCs）等。鉴于PWMI发生由少突胶质细胞受损或发育障碍引起，干细胞移植有望对损伤的细胞进行修复。一方面，干细胞可以通过多向分化替代损伤的少突胶质细胞，对脑白质进行修复重建；另一方面，干细胞还能分泌重要的细胞因子，激活脑白质损伤的内源性修复，改善脑白质微环境，促进少突胶质细胞分化成熟[19]。此外，干细胞的免疫原性较低，尤其是MSCs几乎没有免疫排斥的问题出现。MSCs的主要组织相容性复合体（Major histocompatibility complex，MHC）Ⅰ类分子表达水平低，且不表达MHC-Ⅱ类分子及T细胞共刺激分子（B7-1、B7-2、CD40、CD40L）等。因此，不易激活宿主T细胞的免疫反应子，从而免于T细胞和自然杀伤细胞（NK细胞）的攻击[20]。鉴于干细胞的低免疫原性的特征，干细胞移植应用于临床的可行性大大增加。

图1 少突胶质细胞发育各阶段示意图

尽管干细胞移植治疗PWMI具有理论的可行性，但干细胞在PWMI中的再生作用的证据仍然缺乏，目前尚无用于临床PWMI治疗的报道。近年来，研究者们在细胞水平及动物模型中的研究越来越多，并已逐渐涉及到大动物WMI模型的研究[21,22]。

2.1 细胞水平研究

干细胞移植治疗PWMI的细胞水平研究主要通过干细胞与OPCs共培养的方式进行，以探究干细胞对OPCs分化的影响。Zhang等通过设置直接接触和非接触（Transwell）两种共培养体系研究大鼠MSCs与OPCs共培养中的作用，发现直接接触和非接触共培养的MSCs都能够显著促进OPCs的分化，说明MSCs通过旁分泌作用间接调控OPCs分化[23]。此外，该研究还发现直接接触共培养体系中成熟的少突胶质细胞比例更高，表明除了旁分泌作用，MSCs 对OPCs的调控可能还存在其他途径。例如，在氧化应激后，MSCs能够通过微泡、缝隙连接或纳米管将线粒体转移到线粒体功能受损的细胞[24,25]，提示MSCs对OPCs等细胞的作用可能更为丰富，其机制值得进一步探索。除OPCs以外，NSCs也具备分化为少突胶质细胞的潜能，因而也有研究通过大鼠NSCs与MSCs共培养，发现MSCs也会促进NSCs分化为少突胶质细胞[26]。

2.2 动物模型研究

大鼠是经典的WMI模型动物，广泛应用于国内外WMI临床前研究中。在PVL建模后1天，向新生大鼠单侧侧脑室注射MSCs，可观察到MSCs可以迁移到受损的两个半球，改善髓鞘形成，提高大鼠的运动能力[27]。最近的研究还发现，通过腹腔注射内脂多糖诱导出生后4天（P4）大鼠PVL，经脐带沃顿胶间充质干细胞（Wharton's jelly-derived mesenchymal stem cells，WJ-MSCs）治疗后，脑内促炎细胞因子的表达显著降低，并促进了MBP的表达[28]。此外，在dWMI模型的研究中，通过侧脑室注射WJ-MSCs，同样可以改善大鼠的运动能力，并促进髓鞘形成[29]。动物模型中的这些研究证实了MSCs对WMI的修复效果，具有重要的参考意义，但脑室内注射的方式缺乏临床适用性，需对治疗策略进行进一步优化。

3 优化干细胞治疗WMI的策略

3.1 干细胞选择

选择合适的干细胞，是有效应用干细胞移植手段治疗PWMI的首要问题。现阶段使用成人组织（脂肪组织、外周血、骨髓）和新生儿组织（胎盘和脐带）来源的间充质干细胞进行治疗的研究较多，包括：骨髓间充质干细胞（Bone mesenchymal stem cells，BMSCs）、人羊膜间充质干细胞（Human amniotic mesenchymal stromal cells，hAMSC）、脐带血间充质干细胞（Umbilical cord mesenchymal stromal cells，UCMSCs）等[30]。其中胎盘和脐带来源的MSCs具有较高的增殖和分化能力，并且自体干细胞移植可以有效规避免疫原性问题，是干细胞治疗WMI的优选之一。此外，由于WMI的受累细胞是少突胶质细胞，因此，可直接分化为少突胶质细胞的神经干细胞（Neural stem cells，NSCs）和OPCs也被认为对WMI极具治疗潜力，国内外已有相关团队正在开展相关临床前研究，但临床治疗效果需要更多研究结果支持，免疫原性问题也需要进一步解决。

3.2 移植途径选择

大小鼠WMI模型研究多采用侧脑室注射途径，手术创伤较大，难以用于临床治疗。所以除了干细胞的选择，临床治疗途径也至关重要。动脉或静脉注射的全身给药方式，可将干细胞通过血液循环运送到损伤的脑白质，但所需的干细胞浓度将远远大于局部给药，可行性较低。局部给药除了脑室内注射，腰椎穿刺也是临床常用的方法之一，能有效地将干细胞注入脑脊液。但腰椎穿刺手术同样会带来创伤，并可能引发相关并发症及术后感染。此外，鼻腔给药也是婴儿和儿童常用的一种给药途径，可将干细胞通过嗅觉神经输送至脑组织，给药过程无创。

最近的一项研究表明，在dWMI大鼠模型中通过鼻内注射WJ-MSCs 可观察到髓鞘的修复[31]，表明经鼻途径注射干细胞能够有效减轻大鼠脑白质的损伤，但相关临床研究尚无报道，其有效性需要更多的研究验证。

3.3 基因工程技术的应用

利用基因工程技术干预干细胞中关键因子表达，能进一步提高干细胞治疗效果。例如成人大脑中动脉闭塞疾病中，与单纯的骨髓间充质干细胞治疗相比，用过表达BDNF、GDNF、HIF-1α或IL-10的改良骨髓间充质干细胞治疗，可有效改善脑功能，减少梗死面积[32,33]。因此，基因工程的应用有望为干细胞治疗PWMI提供更有效的新工具。