间充质干细胞在神经病理性疼痛中的作用及机制研究

刘太聪, 史永强, 张海鸿

(兰州大学第二医院 骨科, 甘肃 兰州, 730030)

疼痛是身体对有害刺激的不愉快反应，如外部伤害和内部疾病，其对于身体规避风险至关重要。慢性疼痛被定义为愈合后持续存在的疼痛，或无组织损伤的情况下持续存在的疼痛，且通常持续时间超过3个月[1]。成年人慢性疼痛的发病率为11%～19%, 其中神经病理性疼痛(NP)占慢性疼痛的20%～25%[2]。NP病因复杂[3], 治疗方法多种多样，目前主要包括药物治疗、手术治疗等方法[4-5]。尽管NP的治疗已取得重要进展，但仍缺乏安全有效的针对性治疗方案。近年来，干细胞疗法逐渐得到研究者[6]的重视, 但其在NP中的分子机制非常复杂，因此，全面深入地了解NP的发病机制和间充质干细胞(MSC)的分子机制非常重要。

1 NP的发病机制

机体受到伤害后，局部稳态发生变化，外周伤害感觉神经元检测到有害刺激并被激活，这些伤害感受器的胞体位于背根神经节或三叉神经节，将中央投射纤维延伸至脊髓背角和三叉神经核，在那里通过各种神经递质和神经肽将伤害信息传递给伤害性投射神经元，这种传递是通过兴奋性和抑制性中间神经元组成的复杂神经回路直接或间接发生的[7]。然后，这些伤害性投射神经元将信息投射到脑干和参与处理痛觉的大脑高级区域[8]。长期以来，人们认为NP发生在神经细胞之间，然而越来越多的证据[7, 9-14]表明神经炎症和免疫系统对NP的发生与维持具有重要作用。

神经炎症由外周和中枢神经系统的胶质细胞(包括星形胶质细胞和小胶质细胞等)及免疫细胞(包括肥大细胞、巨噬细胞、中性粒细胞)的激活引起[15-17]。小胶质细胞是维持中枢神经系统稳态及功能的免疫细胞[18], 其中脊髓背角中激活的小胶质细胞在神经损伤、癌症、糖尿病等引起的NP中起关键作用。活化的小胶质细胞可释放炎症因子[如肿瘤坏死因子、白细胞介素-1β(IL-1β)和趋化因子]、脑源性神经营养因子(BDNF)及神经递质等，直接和间接地影响神经元功能导致痛觉过敏和异常疼痛[8, 19-21]。

2 MSC概述

干细胞包括胚胎干细胞和成体干细胞，其中胚胎干细胞是多能干细胞，可分化为胚胎结构，而成体干细胞是具有自我更新能力的多能干细胞，可分化为不同的细胞类型[22]。1970年, FRIEDENSTEIN A J等[23]在人类骨髓中发现了一种罕见的基质细胞，即MSC, 其广泛存在于骨髓以外的组织中，包括脂肪组织、肺组织、滑膜、子宫内膜和外周血。目前，临床研究[24-25]中最常用的MSC主要来源于骨髓、脂肪组织和脐带血。MSC表现出很高的增殖潜力、遗传和表型稳定性，可被轻松收集并应用于临床。此外, MSC还具有2个优势特征，一是可迁移到组织损伤部位并具有强大的免疫抑制特性，二是可用于自体和异体移植[1, 26]。

3 MSC对NP的治疗作用

相关研究[27]建立小鼠坐骨神经结扎NP模型，并将MSC移植到小鼠侧脑室，发现MSC可减少小鼠疼痛行为，如机械性异常疼痛和热痛觉过敏等，并可减少神经系统中小胶质细胞及星形胶质细胞的表达。另有报道[28]称，在大鼠同侧神经节内注射骨髓MSC可显著减轻单侧坐骨神经结扎模型的机械性疼痛。相关研究[29]报道，鞘内注射大鼠骨髓分离出的MSC, 可减轻大鼠坐骨神经慢性压迫损伤(CCI)MSC模型引起的机械性异常疼痛和热痛觉过敏，并减少IL-1β、白细胞介素-6(IL-6)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)的产生。近年来, MSC已被越来越多地应用于临床。一项双盲临床试验[30]结果显示，向膝关节骨关节炎患者的关节内注射MSC可显著减轻其疼痛症状。

4 MSC治疗NP的潜在机制

4.1 MSC的迁移

移植的MSC需先迁移到损伤部位再发挥其对NP的镇痛作用。周围神经损伤后，趋化因子[CXC型趋化因子配体12(CXCL12)、CXC型趋化因子配体13(CXCL13)、单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)]被释放，可诱导移植的MSC表达相应的趋化因子受体，如CXC趋化因子受体4(CXCR4)、CC趋化因子受体2(CCR2)和CXC趋化因子受体5(CXCR5)[31]。研究[32]表明, CXCL12/CXCR4轴介导鞘内移植的骨髓MSC迁移至腰椎的背根神经节。另一项研究[31]表明，骨髓MSC可通过CXCL13/CXCR5轴定向迁移至损伤同侧脊髓背角表面。未来的研究还应继续深入了解MSC的迁移机制，这可能是提高MSC治疗效率的新靶点。

4.2 抗炎及免疫调节

MSC表现出强烈的免疫调节特性并可促进伤口愈合, MSC进入炎症环境后分泌的肿瘤坏死因子刺激基因6(TSG-6)、白细胞介素-10(IL-10)等已被证明具有强烈的抗炎作用[33-34]。有研究[29]将大鼠骨髓中分离出的MSC注射到脊髓脑脊液中，减轻了CCI模型引起的机械性异常疼痛和热痛觉过敏以及脊髓组织中的神经炎症，当TSG-6表达沉默时，骨髓MSC的镇痛作用及抗炎特性减弱。此外，MSC可将巨噬细胞/小胶质细胞促炎(M1)表型转变为抗炎(M2)表型，其中M1表型可产生多种炎症介子，包括TNF-α、IL-1β等，并可诱导一氧化氮合酶(iNOS)上调，而M2表型可分泌抗炎细胞因子转化生长因子-β(TGF-β)、IL-10[35-37]。胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)在神经系统疾病中发挥保护作用，而MSC可产生GDNF, 故在NP模型大鼠中鞘内注射骨髓MSC可通过分泌GDNF抑制核因子κB(NF-κB)促进磷脂酰肌醇3激酶/丝氨酸苏氨酸蛋白激酶(PI3K/AKT)信号通路调节小胶质细胞M1表型转变为M2表型[38]。

4.3 保护神经元

MSC还可分泌神经营养生长因子，包括GDNF、血管内皮生长因子(VEGF)、BDNF和成纤维细胞生长因子-1(FGF-1), 从而改善NP神经元的存活率，维持内环境稳态[6, 39-40]。激活转录因子3(ATF3)是一种使用广泛的背根神经节损伤标记物[41]。研究[32]表明, CCI模型可显著诱导背根神经节中AFT3的表达，鞘内注射骨髓MSC后，背根神经节中AFT3降低，表明骨髓MSC可保护背根神经节免受损伤。有研究[42]将FGF-1基因转染的脂肪MSC全身静脉注射于CCI模型大鼠，与未转染的脂肪来源MSC相比，可显著减少脊髓细胞凋亡。由此提示, MSC分泌的FGF-1参与NP神经元的保护作用，但MSC对神经元细胞深层次的分子作用机制仍需进一步探索。

4.4 降低中枢敏化

神经损伤导致神经元一系列级联反应，引起中枢敏化，这是NP发生的关键步骤。神经损伤后，脊髓背角兴奋性氨基酸(谷氨酸)递质被大量释放，兴奋性N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDAR)持续激活，从而促进中枢敏化[8-9]。研究[43]表明，骨髓MSC可以抑制NMDAR的表达，并阻止其被谷氨酸激活，进而弱化和逆转中枢敏化，减轻机械性痛觉过敏。研究[44]证明，转化生长因子-β1(TGF-β1)以浓度依赖方式减轻谷氨酸诱导的大鼠皮质神经元兴奋性神经毒性。MSC可分泌TGF-β1, 向CCI诱导的小鼠NP模型中鞘内注射MSC, 可减轻小鼠的痛觉过敏，使用TGF-β1中和抗体后，则可逆转MSC的抗痛觉过敏作用[32]。以上研究表明, MSC可通过释放TGF-β1抵抗中枢敏化来抑制神经元的兴奋性，从而发挥镇痛作用。

4.5 抑制胶质细胞活化

神经系统中的胶质细胞对NP的发生和维持起着非常关键的作用。神经损伤后，胶质细胞活化，分泌炎性细胞因子，导致疼痛过敏。在大鼠NP模型中，神经胶质纤维酸性蛋白(GFAP)和钙离子结合衔接分子1(IBA-1)蛋白显著上调[10]。然而有研究[29, 42]在脂肪MSC和骨髓MSC移植后发现, GFAP和IBA-1表达大大降低。同样，在椎间盘突出症大鼠模型中，骨髓MSC移植后脊髓背角中的小胶质细胞激活受到抑制[36]。研究[9]表明，活化的胶质细胞中p38丝裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)信号通路的激活参与NP。骨髓MSC移植可抑制大鼠脊髓损伤后小胶质细胞中P38MAPK信号的激活，改善其运动功能[45]。然而, MSC如何影响小胶质细胞活化目前尚未完全阐明，包括MSC靶向哪些小胶质细胞受体。相关研究[32]证实，骨髓MSC释放的TGF-β1和IL-10可能与小胶质细胞的活化抑制有关。嘌呤能P2X4受体(P2嘌呤能受体亚型)在NP后小胶质细胞表面显著表达，并触发小胶质细胞的激活[8]。向CCI大鼠鞘内注射骨髓MSC可抑制脊髓小胶质细胞中P2X4受体的表达，从而抑制小胶质细胞活化，减轻大鼠NP行为[46]。MSC和神经胶质细胞在疼痛方面的相互作用仍需进一步研究。

4.6 抗氧化作用

氧化应激是神经元细胞凋亡、代谢紊乱、生物功能衰竭的关键因素，可引发持续的感觉神经病变[47]。细胞抗氧化防御的激活是维持氧化还原稳态的基础，活性物质的大量产生是由细胞抗氧化防御系统激活控制的，该系统包括一系列的抗氧化酶，转录因子NF-E2相关因子2(Nrf-2)是调节人体抗氧化防御的关键转录因子，其通过激活抗氧化酶的表达发挥作用，已被证明是维持健康细胞氧化还原反应的调节剂, Nrf-2活性下降可引起氧化应激增强，进一步导致神经病变的发展[48-49]。将骨髓MSC移植到奥沙利铂诱导的大鼠NP模型中，可增加脊髓Nrf-2的表达，证明由Nrf-2介导的骨髓MSC的抗氧化作用与其在感觉神经病变中的镇痛作用存在相关性[50]。

5 总结与展望

MSC疗法作为NP的新疗法，具有治疗周期短、起效迅速、疗效持久的优势，已引起广泛关注。尽管已有越来越多的实验证明MSC在NP中的治疗潜力，但仍有一些问题亟待解决。目前，关于MSC对NP的最佳治疗方案尚未达成共识，包括最佳移植剂量、移植后存活率、MSC来源、同种异体移植的免疫排斥反应、给药途径以及给药时间等方面。来源似乎会影响MSC的存活率，有研究[51]分别将骨髓和脂肪来源的MSC以相同数量移植到大鼠脊髓中，发现脂肪来源MSC存活率高于骨髓来源MSC。通过FGF-1[42]、GDNF[52]基因转染骨髓MSC, 可使骨髓MSC的镇痛效应增强，这种将基因工程结合到基于骨髓MSC的细胞治疗中的方法被证明比单独骨髓MSC移植更有效。骨髓MSC分泌的抗炎因子、免疫调节因子、神经营养因子的基础水平可通过针对特定疾病机制的基因操作来提高。另外，采用MSC与药物联合治疗NP可获得更显著的镇痛效果，例如脂肪源性MSC联合普瑞巴林治疗大鼠神经性疼痛的效果优于单独治疗[53]。目前，使用MSC治疗NP仍充满希望与挑战，充分理解MSC在NP中的作用机制，或可使MSC疗法成为NP安全有效的治疗方法。