间充质干细胞是慢性神经退行性疾病患者的一剂良药

文章来源:间充质干细胞 

内容来源:东海先生


       中枢神经系统(CNS)被认为在受伤或广泛的变性事件后不容易恢复。事实上,在大脑的至少两个区域,即海马的齿状回和毗邻侧脑室的室管膜下区(SVZ),神经干细胞(NSC)可以持续产生新的功能神经元。然而,它们可能只解释大脑有限区域内的神经发生,而面对弥漫性神经元死亡(神经退行性疾病)则束手无策。在这些情况下,神经细胞的渐进性丢失严重损害了患者的生活质量,主要是认知和行为功能障碍。

 


       由于药理学方法在许多情况下导致效果不佳,基于干细胞的脑移植疗法已被广泛研究。胚胎干细胞因其多能性和极高的增殖潜能而被广泛研究。然而,它们引发了伦理问题,并涉及到容易产生肿瘤的风险。从自体细胞重新编程的诱导多能干细胞也可以分化为神经细胞,但它们的安全使用还需要得到适当的评估。考虑到它们的性质,神经干细胞(NSC)似乎是最合适的治疗用细胞。


       但是,由于必须从神经组织中提取自体神经干细胞,在不对患者造成重大伤害的情况下,很难获得足够量的自体神经干细胞。此外,关于神经干细胞移植的结果数据是有争议的,因为当在体内注射时,它们可能仍然是未分化的形式,这些细胞在同种异体移植时也容易产生免疫反应。

 

       间充质干细胞(MSC)的使用似乎更合适,因为能方便地获取足够多的细胞数量,免疫原性低。此外,它们可以用于临床治疗神经退行性疾病,而不会引起重大的伦理问题。


       在众多可用的组织中,研究最多的是脐带MSC、骨髓MSC和脂肪MSC,还有一些其他来源,如牙髓等。本文主要介绍MSC作为一种潜在的治疗工具治疗阿尔茨海默病(AD)、肌萎缩侧索硬化症(ALS)、亨廷顿病(HD)、帕金森病(PD)等致残性神经退行性疾病的研究成果。MSC治疗的机制在于增加神经增殖分化、神经营养支持和抗凋亡作用。

 

阿尔茨海默病(AD)的MSC治疗


       大量动物实验的结果均证明MSC能有效改善AD小鼠的减少Aβ沉积和认知功能,包括MSC局部注射至大脑海马区和侧脑室。颈动脉和尾静脉注射的MSC同样能够趋化迁移到损伤的神经组织,并能改善AD小鼠的认知能力和记忆力。既然外周血管内注射MSC同样能穿透血脑屏障迁移到损伤的神经组织部位,那么在临床应用方面的适用性远超大脑的局部注射。

 

       AD动物空间记忆的认知水平的提高,与Aβ沉积的显著减少和小胶质细胞功能的恢复有关,激活的小胶质细胞增强了海马和皮质中Aβ的清除能力。有报道称海马MSC移植后氧化应激减少,认知损害较少,还能在海马齿状回和SVZ中检测到增强的神经源性活性。MSC治疗机制还可能在于对谷氨酰胺合成酶水平的保护作用以及对内嗅皮层潜在毒性Aβ*56水平的显著下调所致。


       MSC治疗后,神经元存活率的增加与神经元细胞自溶酶体的形成以及伴随着Aβ的清除增加有关。2020年最近《自然》杂志刊文斯坦福大学的科研成果,发现AD的一个免疫特征,即脑脊液中克隆性扩增的CD8+T效应记忆CD45RA+(TEMRA)细胞数量增加,而且CD8+TEMRA细胞数量与认知呈负相关。基于MSC强大的免疫抑制能力,这个新发现为MSC治疗AD的应用拓展了新的治疗机制。

 

       对于AD患者,全世界已经探索了各种类型的干细胞和不同的给药途径。在韩国的一期临床试验中,采用MSCs治疗9名轻中度AD患者(50-75岁),包括海马体等多部位微注射,2年后ADAS-Cog评分、S-IADL评分和MMSE评分均下降明显;没观察到肿瘤形成,所有患者出现头部伤口疼痛、一半患者出现头痛头晕,有一些患者出现谵妄、恶心和背痛。

 

肌萎缩侧索硬化(ALS)的MSC治疗


       尾静脉注射MSC可促进SOD1 G93A小鼠运动神经元的存活并改善神经肌肉功能,并延长了小鼠的寿命,通过旁分泌促进神经保护和神经再生行为。在这些小鼠的脊髓中发现了少量静脉输入的MSC,但是没有显示神经元或胶质标记(神经分化);而且一些神经营养因子(GDNF和bFGF)明显上调,对运动神经产生强烈而持久的影响。


       局部注射的方法使得大部分MSC迁移到脊髓部位,只有很小一部分细胞的神经元标记呈阳性,但是没有GFAP的阳性细胞。MSC分泌的可溶性因子还可能通过上调谷氨酸转运蛋白1(GLT1)的表达来促进谷氨酸的摄取,从而减少星形胶质细胞外谷氨酸的堆积,也就减少谷氨酸的神经兴奋毒性。

 

       许多临床试验正在ALS患者身上进行,其中大多数临床研究旨在证明干细胞移植程序的安全性,但已经观察到一些有益的治疗效果。MSC治疗ALS的临床研究中,MSC的注射途径包括脊髓鞘内注射和静脉注射、肌肉注射。


       有三个临床研究同时实施两种注射途径,即脊髓鞘内注射搭配静脉注射或肌肉注射。磁共振成像显示MSC可能从注射部位的腰部扩散到枕角、脑膜、脊根和脊髓实质。总体而言,随访期内没有观察到严重的不良反应,肺活量和ALSFR评分都有所改善,明显减缓了疾病的恶化进展,特别是在鞘内注射或同时接受两种注射的患者。

 

亨廷顿病(HD)的MSC治疗


       在R6/2转基因小鼠中,纹状体内注射人脂肪MSC改善了亨廷顿疾病模型小鼠的Rota-Rod功能和抱肢功能,提高了存活率,减轻了纹状体神经元的丢失,减少了亨廷顿蛋白聚集体。同样,静脉注射MSC亦能HD模型小鼠的生存率和改善运动功能。


       为了评估HD患者自体ASC移植的可能性而开展了对照实验,根据4个月后的评估,8月龄小鼠双侧纹状体移植健康的脂肪MSC可以减少纹状体萎缩,而HD模型小鼠来源的脂肪MSC治疗则不能预防纹状体萎缩,原因可能在于HD模型小鼠来源的脂肪MSC分泌的NGF数量下降。大脑纹状体部位注射较少的MSC细胞可获得更明显的行为进展,侧脑室大小的扩大也减少了,但是注射过多的细胞可能改变纹状体神经元网络。

 

       在一项比较研究中,神经干细胞移植诱导了强烈的免疫反应,只带来了短期的行为进步,而MSC引起的免疫反应较低,能够提供长期的益处;同时注射MSC和神经干细胞后效果最好,为移植的神经干细胞提供了长期的益处并提高了存活率。

 

帕金森病(PD)的MSC治疗


       局部注射MSC到PD成年大鼠单侧纹状体中,观察到MSC迁移到对侧相同的区域,MSC移植可减轻6-羟基多巴胺损伤引起的行为效应,并部分恢复多巴胺能标志物和多巴胺泡状纹状体池。MSC注射到大脑黑质部位,同样能观察到MSC迁移到黑质和蛛网膜周围,改善记忆功能,上调外周抗炎细胞因子,维持多巴胺水平,增加海马和SVZ区的神经发生。但是认知功能的增强并不能与运动功能的改善相一致。

 

       在甘露醇预处理使血脑屏障的通透性增加后,颈动脉内注射的MSC可以大部分地输送到受损动物的脑内;虽然6-OHDA诱导的损伤或运动损伤没有明显改变,但观察到给予阿朴吗啡的病理反应逐渐正常化。静脉注射MSC亦能改善PD老鼠的认知功能和运动功能。线粒体损伤可能是黑质纹状体神经元细胞死亡的原因,经过MSC治疗后,改变的线粒体数量减少,黑质多巴胺能神经元保存较好,同时促进小胶质细胞的抗炎作用。

 

       在印度的一项临床试验中,7名晚期帕金森病患者将自体骨髓MSC立体定向移植到室管膜下区(SVZ),随访10~36个月,采用统一帕金森病评定量表观察临床症状改善情况,患者面部表情、步态和僵硬发作等症状也有主观改善,但作者并不完全排除安慰剂效应。


       对意大利的5名患有进行性核上性瘫痪(PSP)的患者进行了脑动脉输注自体骨髓MSC的治疗,PSP是一种罕见、严重和没有选择余地的帕金森氏症,大多数患者在服药一年后都活了下来,除了一名死于与治疗无关的原因(意外跌倒),在一年的随访中,运动功能至少保持了6个月的稳定。

 

多发性硬化症(MS)的MSC治疗


       动物实验的研究成果证明MSC通过抑制免疫细胞的异常激活,减少免疫细胞对神经系统的攻击,减少神经中枢白细胞浸润,从而改善MS的病情。将脐带MSC通过静脉输入到患实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)的食蟹猴体内,磁共振成像和临床体征表明MSC治疗后脱髓鞘明显减少,其中的MSC治疗作用机制包括其调节细胞因子分泌和影响T细胞系功能分化的免疫调节功能。经MSC治疗的患者在EDSS评分和复发率均明显低于对照组,而且伴随着治疗组患者体内的Th1免疫转变为Th2免疫。

 

       静脉或鞘内注射的自体MSC在治疗MS方面具有潜在的效用,并且在7至15例进展性MS患者组中分别进行了几项小型的临床研究。这些临床研究没有报告严重的不良事件,但临床结果喜忧参半。在平均随访19个月后,残疾改善1例,稳定4例,恶化5例。两项研究报告12个月时进展性残疾状况量表(EDSS)评分平均改善0.8分。随访6个月时7例患者中5例EDSS得到较明显的改善。在11例继发性进行性MS伴视觉障碍的患者中,报告在6个月时视力、对比敏感度和视觉诱发电位潜伏期略有改善。这些研究为未来的大样本随机对照试验铺平了道路。

 

基因工程MSC


       大量证据表明,移植到大脑中的MSC主要通过产生有利于宿主神经元存活和再生的营养因子来促进功能恢复。慢性神经退行性疾病属于非常棘手的难治性疾病,虽然目前的动物实验显示出不错的疗效,但是疗效依然不惊艳,所以产生了对MSC进行基因工程改造的想法,期待着基因工程MSC有着更好的治疗作用。

 

       对MSC进行基因改造,可以增强MSC的营养支持作用。在慢性神经退行性疾病的治疗中,MSC最常见的基因修饰是高表达神经营养因子(NGF、BDNF、GDNF),它们的神经保护/神经再生作用得到了广泛的认可。已经对工程MSC的不同策略进行了研究,但是常用的病毒载体的安全性问题依然需要非常严肃的对待。

 

       高表达NGF的基因修饰的MSC被移植到AD模型大鼠的海马区,在该模型中,β-淀粉样蛋白被注射到双侧海马区,MSC细胞存活并迁移到周围组织和其他部位(纹状体和其他海马结构),获得了表达胆碱乙酰基转移酶样免疫阳性的倾向,治疗的小鼠显示出学习和记忆方面的显著进步。


       通过将使用病毒过表达NGF和/或BDNF的基因修饰的MSC注射到小鼠HD模型的纹状体中,移植的动物表现出更少的紧握和旋转棒任务的改善,而且纹状体神经元核阳性细胞计数明显增加。转染GDNF的MSC,局部移植治疗PD模型大鼠和猴子,依然取得良好的促进恢复作用。尽管MSC局部移植后,大多数移植细胞在1-2周内死亡,但3-5周后尚能观察到疾病症状和病理学方面的持续改善。

 

       经过基因工程改造的MSC,治疗功能得到增强,但是基因改造伴随而来的安全性问题需要得到充分的关注和验证。

 

小结


       来自上述研究的数据表明,在神经退行性疾病中,使用MSC可能会产生明显的改善,主要依赖于MSC对损伤区域的趋化特性,特别是对缺氧、凋亡或发炎的区域。事实上,不仅在脑内注射,而且在脑室内、颈内动脉、静脉甚至鼻腔给药后,都有报道MSC能趋化迁移到受伤的神经组织。

 

       大多数作者一致认为,在MSC移植中观察到的神经保护/神经营养作用主要是由它们的旁分泌活性促进的。通过这些旁分泌作用,可以抑制局部免疫系统,降低细胞凋亡和自由基水平。



       MSC旁分泌活性似乎通过激活小胶质细胞而得到改善。其他积极的机制包括促进血管生成,增强谷氨酸摄取,或产生细胞外基质分子。刺激血管生成有助于可溶性因子沿着损伤组织中新形成的血管扩散。通过增强谷氨酸摄取,其神经兴奋性毒性将降低。细胞外基质分子可刺激生长和轴突伸展。由于细胞因子和神经营养因子的变化也与各种精神疾病相关,基于MSC的治疗也被建议用于精神障碍。