少突胶质前体细胞移植治疗脊髓损伤的研究进展*

吕烨华，糜大国，于 彬，姚 淳***

(1 南通大学教育部/江苏省神经再生重点实验室，南通 226001；2 江苏省南通市中医院骨伤科)

脊髓损伤(spinal cord injury,SCI)伴随着不可逆的神经组织变性和细胞凋亡，具有较高的发病率和致残率，给患者家庭与社会造成了巨大的经济和情感负担。每年全世界约有93 万人遭受着SCI 及其后遗症的严重侵害[1]。SCI 将导致原发性组织损伤、细胞死亡和继发性细胞凋亡。临床上多采用早期手术减压和大剂量糖皮质激素类药物的冲击疗法，目的是减轻受损脊髓的压迫，减少早期的炎症反应，避免继发性损伤。但是因为不能促进有髓轴突再生，所以患者感觉和运动功能的恢复效果较差。少突胶质细胞(oligodendrocyte,OL)是中枢神经系统(central nervous system,CNS)髓鞘的唯一来源，OL 可以形成多层绝缘质膜包裹轴突的髓鞘，实现电信号沿轴突高速、跳跃性地传播。此外，OL 能够调节离子和水的稳态，具有为神经元提供能量代谢和营养支持等重要功能[2]。创伤性SCI 导致损伤部位的OL 在1 周内减少约93%，造成髓鞘大量丢失，同时残存的少突胶质前体细胞(oligodendrocyte progenitor cell,OPC)被激活分化产生一定数量的新生OL 弥补部分丢失的髓鞘[3]。SCI 后的脱髓鞘病变有多种治疗策略，包括药物治疗、基因调控、干细胞移植等。理论上无论是诱导内源性OPC 增殖分化，还是外源性OPC 移植，都可以实现髓鞘再生。然而实际上，由于CNS 结构复杂以及继发性的病理损害，诱导内源性OPC 再生的髓鞘不能恢复到正常厚度且数量不足，导致持续脱髓鞘化的轴突能量不足、功能障碍，限制了SCI 后的信号传递和神经环路重建[4]。移植外源性细胞补充丢失的OPC 和OL 可有效促进髓鞘再生，保护残留神经元和再生轴突，被认为是治疗SCI 的一种实用性替代方案。本文将讨论OPC 移植治疗SCI 的研究进展，重点介绍OPC 移植对内环境重塑、髓鞘化、轴突保护、感觉和运动功能恢复的帮助，并对当前的治疗手段和潜在的组合疗法进行讨论及展望。

1 OPC 移植治疗SCI 的研究背景

新生髓鞘由OPC 迁移、增殖和分化产生，但是内源性髓鞘再生的潜力有限，仅通过激活内源性OPC 增殖分化不足以有效地提高脱髓鞘轴突再髓鞘化的数量和质量，因此OPC 移植治疗被认为是SCI后提供更多高质量髓鞘化的潜在方法之一。

1.1 OPC 细胞移植的类型和时间 事实上可以用作OPC 来源的干细胞有很多，如间充质干细胞、神经干细胞、多能诱导干细胞等[5]。OPC 移植作为治疗SCI 后脱髓鞘的潜在疗法一直广受关注，但是人们也对这类治疗方法存在分化不确定性、免疫排斥、致瘤性等安全性问题提出担忧。S.MARQUES 等[6]通过对幼年和成年小鼠CNS 中10 个不同区域5 072 个OL 进行单细胞测序，鉴定出13 个不同的OL 子亚群，包括12 个从PDGFRα+OPC 到不同成熟度的OL 子亚群，和另一个血管周围独立的OPC 子亚群，证明了OL 存在异质性。E.M.FLORIDDIA 等[7]进一步发现成熟少突胶质细胞(mature oligodendrocytes,MOL)异质性可能与局部环境或与不同神经元类型的相互作用有关，其中MOL2 可能与SCI 部位近端轴突萌发有关，另外损伤部位可能存在刺激因素，导致OPC 优先分化为MOL5/6。深入研究不同子亚群OL 的功能，根据SCI 的类型精准选择所需OPC 群体，或许是未来避免或降低移植风险的有效途径。

SCI 后1～2 周通常被定义为亚急性期，6～8 周为慢性期，大多数研究支持SCI 后的最初2 周是OPC移植的有效窗口期。H.S.KEIRSTEAD 等[8]在SCI 后第7 天移植OPC，髓鞘形成增加了136%，至少63%的再生髓鞘由移植细胞产生，小鼠在移植后12 d 即开始表现出运动功能优势。S.KARIMI-ABDOLREZAEE 等[9]对比SCI 后第2 周和8 周移植神经前体细胞(neural precursor cells,NPCs)，发现急性期移植的NPCs 大量存活，慢性期移植的细胞存活率较低。为了解决慢性SCI 移植效果不佳的问题，N.PATIL等[10]对SCI 70 d 后的大鼠进行瘢痕消融手术，9 d 后进行细胞移植，最终OL 的分化比例更高。虽然一些治疗可以提高慢性期移植效果，但依旧认为SCI 后最初的2 周是移植OPC 的有效窗口期。

1.2 OPC 移植对髓鞘化的帮助 OPC 移植能有效促进SCI 后重新髓鞘化。W.F.BLAKEMORE 等[11]比较了内源性和外源性OPC 在脱髓鞘组织中的作用，发现外源性OPC 补充损伤组织髓鞘数量是内源性细胞的5～10 倍。外源性OPC 在宿主脊髓内向不同的方向迁移，能够适应损伤处轴突再髓鞘化的需求。J.FAULKNER 等[12]证明了成熟的OL 大部分由移植细胞分化产生，且移植的OPC 在7 d 内向损伤部位的近端和远端分别迁移11 mm 和3 mm。S.KARIMIABDOLREZAEE 等[9]在SCI 后2 周进行细胞移植，发现移植细胞仍能向近端和远端迁移5 mm 以上，约50%的移植细胞形成OPC 或OL，且存活的OPC 主要沿着白质整合包裹轴突。X.H.WANG 等[13]利用透射电镜观察脱髓鞘区域发现，与对照组相比OPC 移植大鼠的髓鞘密度和厚度显示出修复迹象，但修复后的髓鞘仍比正常髓鞘薄。A.J.MOTHE 等[14]研究发现，在移植3 周后，髓鞘的厚度达到约100 nm，而对照组小鼠仅显示2～3 层的薄髓鞘。此外，有研究[15]报道，移植OPC 产生的新生髓鞘中甚至可以表现出郎飞节样的结构特征。总体来说，OPC 移植可从髓鞘数量、范围、结构等方面改善脱髓鞘损伤，为SCI 后重建神经环路提供髓鞘支持。

1.3 OPC 移植对损伤微环境和轴突的影响 供体OPC 受到宿主体内激素水平等因素的调节，同时供体OPC 在发育和髓鞘形成过程中也对损伤周围微环境产生影响，这可能是OPC 移植除髓鞘化外的另一方面的贡献。有学者[16]分析OPC 移植2 周后大鼠颈髓损伤处差异基因的表达，发现OPC 移植组基因表达更加接近非损伤状态。D.LUKOVIC 等[17]进一步发现OPC 可以通过Notch 和Jak/Stat 信号通路激活星形胶质细胞，下调有害基因的表达，从而创造有利于宿主神经修复的微环境。而W.L.LI 等[18]发现外源性OPC 可以通过Netrin-1/DCC 轴介导轴突生长和突触重塑。M.HUNT 等[19]利用透射电镜发现，有髓鞘的轴突直径明显大于无髓轴突，因此推测SCI 后早期髓鞘化有利于轴突保护。除了影响轴突生长，OPC作为重要的胶质细胞一直以来被认为与血管存在紧密联系。研究[20]表明，OPC-内皮细胞的相互作用以Wnt 依赖的方式调节新生小鼠、雪貂和人类脑白质中血管的发育。虽然目前没有关于OPC 移植对SCI后宿主血管影响的报道，但是之前的研究提示两者之间存在更加深层的紧密联系。

1.4 OPC 移植对运动和感觉功能恢复的影响 大量的动物实验证明OPC 移植能有效帮助SCI 后功能恢复。S.KARIMI-ABDOLREZAEE 等[9]对大鼠进行T6～7脊髓夹伤手术，术后2 周大鼠Basso-Beattie-Bresnahan(BBB)评分约8 分，细胞移植治疗5～6 周后，NPC 来源外源性OL 表达MBP 并包裹轴突，实验组中约85%的大鼠BBB 评分≥12 分，而对照组中仅14%能够达到这个标准；在1 m 长的网格行走测试中实验组大鼠的错误数明显低于对照组，同时大鼠后肢旋转角度也有明显改善。电生理评估可以更加客观反应脊髓信号传导功能，与接受PBS 注射的大鼠相比，接受OPC 移植的大鼠8 周后肌电运动诱发电位潜伏期显著降低[21]。T9撞击伤大鼠经OPC移植治疗，5 周后经颅磁运动诱发电位(transcranial magnetic motor-evoked potential,tcMMEP)潜伏时间为(5.84±0.39) ms，振幅为(4.33±1.3) mV，7 周后磁放大反射(magnetic interenlargement reflex,MIER)的潜伏期为(6.6±0.24) ms，振幅为(2.13±1.99) mV，均优于对照组，说明OPC 的移植显著提高脊髓信号传导功能[22]。OPC 移植不仅有助于促进运动功能恢复，还被发现是缓解SCI 后慢性神经性疼痛一种潜在的治疗手段，Neuregulin-1/ErbB 信号通路在缓解此类疼痛中发挥重要作用[23]。因此，OPC 移植促进早期再髓鞘化对感觉和运动功能恢复都有直接作用。

2 OPC 移植与其他治疗方法联合治疗的应用前景

OPC 移植被证明能有效促进SCI 后轴突髓鞘化，但由于SCI 的病理过程复杂多变，单纯的OPC 移植似乎难以得到令人满意的治疗效果，因此组合疗法仍然被公认是治疗SCI 的最佳治疗方案。

2.1 OPC 移植结合基因调控 在OPC 移植前可以通过基因调控的手段，促进OPC 增殖、迁移和分化能力，或获得靶向功能。睫状神经营养因子(ciliary neurotrophic factor,CNTF)是促进OPC 分化和存活的有效神经营养因子，移植前在体外通过逆转录病毒感染OPC 过表达CNTF，移植后CNTF-OPC 的存活率增加4 倍，髓鞘形成和功能恢复均优于对照组[22]。OPC 迁移不足是导致再髓鞘化不良的原因之一，通过慢病毒诱导OPC 过表达聚唾液酸化酶，可以增加聚唾液酸-神经元细胞黏附分子的产生，促进移植OPC 在轴突周围迁移[24]。脱髓鞘病变的疾病种类有很多，包括遗传性脱髓鞘障碍，创伤性损伤以及获得性炎性脱髓鞘疾病等。Canavan 病是一种致命的脑白质营养不良疾病，由天冬氨酸酰化酶(aspartoacylase,ASPA)基因突变引起。通过慢病毒将有正常功能的ASPA 基因导入OPC 中，可以提高接受ASPAOPC 移植的小鼠的ASPA 活性、促使N-乙酰基-L-天冬氨酸(N-acetyl-L-aspartate,NAA)水平下降、空泡化减轻、髓鞘化和运动功能得到改善，大大延长存活时间，为患有这类致命性遗传病的儿童带来生活的希望[25]。虽然病因不同，但是无论是因为炎症、免疫、创伤或遗传因素，最终都造成CNS 中髓鞘不足或功能异常，补充OPC 促进轴突髓鞘化是这类疾病共同的有效治疗方法，因此该研究也可为OPC 移植治疗SCI 提供重要的理论依据。

2.2 OPC 移植结合组织工程材料 哺乳动物SCI后会在受损脊髓处形成空洞，在病变早期是机体限制损伤进一步发展的自我保护措施，可以有效包裹受损区域的有害物质避免临近组织进一步受损，但是在病变进入亚急性或慢性阶段，以纤维组织为主的空洞却成为再生轴突难以突破的障碍。随着近年来组织工程学的不断发展，生物材料成功被引入SCI 的研究之中[26]。最开始生物材料仅被用于填充和支撑空洞，后来发展出分泌细胞因子、传递药物、充当移植细胞载体等多种功能[27]。水凝胶具有良好的生物相容性、低免疫排斥性、可降解性等优点，更重要的是可以作为药物缓释和细胞移植的载体进行注射操作。用纤维蛋白水凝胶包裹OPC 在大鼠SCI 10 d 后注射到损伤部位，10 周后发现髓鞘形成率高于其他对照组[28]。J.D.TANG 等[29]使用了一种反应型五肽纳米纤维水凝胶，在移植过程中为OPC 提供了有效的保护，并且支持OPC 在组织内增殖以及髓鞘生长。有趣的是，在T.FÜHRMANN 等[30]的研究中，通过精氨酸甘氨酸天冬氨酸肽和血小板衍生生长因子修饰的透明质酸和甲基纤维素水凝胶混合物，不仅减小了SCI 造成的组织空洞，提高了外源性OPC 存活率和分化率，还意外地减少了肿瘤形成的概率。随着组织工程学的发展，各种生物材料与生物因子、药物、干细胞的组合疗法将迸发巨大的治疗潜力。

2.3 传统治疗促进髓鞘化的研究 药物治疗目前仍然是人类与疾病斗争的主要手段，通过挖掘现有药物新的药理靶点治疗SCI，实验周期更短，更具有经济效益。例如二甲双胍长期以来被用于治疗糖尿病，其降糖疗效与安全性已被证实。然而实验[31]发现二甲双胍有逆转衰老OPC 的能力，实现局灶性脱髓鞘病变老年动物再髓鞘化。进一步的研究[32]发现二甲双胍还可以抑制早期自噬作用，促进OPC 增殖，通过激活组蛋白乙酰转移酶磷酸化促进OPC 分化。此外皮质类固醇药物、抗生素、性激素等也相继被发现可以通过不同信号通路影响髓鞘再生[33]。祖国传统医学对脱髓鞘疾病的治疗具有悠久历史，人们发现许多中药以及中药提取物具有促进髓鞘再生的作用。人参皂苷(Ginsenoside,Rg1)是天南星科草本植物主要生物活性成分之一，在中医药中被用于保护神经组织，Rg1 可以通过GSK3β/β-连环蛋白信号通路促进脱髓鞘小鼠模型重新髓鞘化和功能恢复[34]。苦参碱是一种从苦参根中提取的喹诺齐丁生物碱化合物，可以激活PI3K/Akt/mTOR 信号通路，促进OL 发育[35]。硬膜外电刺激(epidural spinal cord stimulation,ESCS)作为物理性的治疗方法，被发现可能通过抑制骨形态发生蛋白4(bone morphogenetic protein 4,BMP4)-Smad1/5/9 信号通路，促进SCI 后OPC 的存活和分化，使损伤28 d 后脊髓的髓鞘面积显著增加[36]。随着更多新的药理靶点的发现，研究者对传统药物和治疗方法与OPC 移植联合治疗SCI 的前景充满期望。

3 OPC 移植的临床进展

目前OPC 移植治疗SCI 的临床试验样本量较少。谱系细胞治疗用少突胶质细胞祖细胞(lineage cell therapeutics oligodendrocyte progenitor cells,LCTOPC1)是来源于人类多能干细胞系的OPC，被用于治疗创伤性SCI，有研究[37]对5 例T3～11神经完全性SCI 患者进行了LCTOPC1 移植治疗，在为期10 年的随访中没有发现与LCTOPC1 移植相关的神经功能减退、肿瘤、脊髓进一步损伤或瘘管形成等并发症，说明SCI 患者对这类细胞具有良好的耐受性，证明了LCTOPC1 移植的安全性。在另一项LCTOPC1 移植的临床试验[38]中，25 例创伤SCI 患者通过1 年的随访，没有参与者出现神经恶变，大多数参与者身体至少有一侧的运动水平至少改善一个等级，但是大多数参与者的感觉评分改善较小，并且改善程度与性别、年龄、细胞剂量、受伤天数和干预时间没有相关性。临床实验[39]证明细胞移植治疗SCI 具有可行性，部分患者的影像学检查发现了与移植细胞相关的髓鞘化和神经束再生，但是大部分患者的感觉和运动功能没有都得到改善。考虑到供体细胞的提取和培养需要一定周期，患者在接受细胞移植的时候已经处于SCI的慢性期。动物实验结果[10]显示，在慢性期移植细胞治疗SCI 的效果并不理想。因此如何缩短治疗周期或许是以后临床实验迫切需要解决的问题。

4 展 望

SCI是一类复杂的疾病，CNS 的损伤并不能随着病程的推移而得到逆转，相反因为继发性损伤的存在，造成残留的神经元、轴突、髓鞘等组织进一步受损或者再生失败。细胞移植治疗SCI 的研究在最近取得相当大的进步，一些治疗方法已经进入临床实验阶段，这为SCI 患者带来希望。OPC 移植可使残留轴突重新髓鞘化，有效保护了残留轴突免受SCI 早期抑制性微环境的损害，使残留轴突的功能得以保留；同时补充髓鞘细胞，有利于维持内环境的稳态，为潜在的脆弱的再生轴突提供保护和能量。现在的技术已经可以通过脐带血、骨髓甚至体细胞等途径获得OPC，移植细胞的来源和伦理问题已经不再是最大的困扰，而如何使移植细胞发挥更大的功能一直是该领域的广大科研人员希望攻克的难题。新药理靶点的发掘可使传统药物和治疗方法更快、更高效地被运用到SCI 的临床救治中，联合基因治疗和组织工程材料等复合疗法，或许可以进一步优化OPC 移植对SCI 的治疗效果。此外，新技术的发展也推动了OPC 移植的研究。随着单细胞测序技术的普及，髓鞘细胞被进一步细分，不同类型的OPC 细胞有着不同的功能。在SCI 病程的不同阶段，特定类型的OPC 或许有利于SCI 的修复，这对未来细胞移植有着重要的指导意义。