間充質干細胞三大作用機制用于治療中樞神經系統疾病

間充質干細胞（MSC）是多能干細胞，其旁分泌和免疫調節潛力使其成為中樞神經系統（CNS）再生的有希望的候選者。大量研究表明，間充質干細胞可以促進免疫調節、抗細胞凋亡和軸突重新延伸，從而恢復功能性神經回路。因此，間充質干細胞的治療效果已被評估用于各種中樞神經系統疾病，包括脊髓損傷、腦缺血和神經退行性疾病。

介紹：損傷和神經退行性疾病通常會導致神經元損失和中樞神經系統 (CNS) 軸突損傷。成熟的哺乳動物中樞神經系統中的神經元無法自發再生。人們付出了巨大的努力來認識中樞神經系統再生衰竭的機制，但仍然缺乏完整的理解。廣泛的再生策略，特別是通過增加神經元存活和軸突重新延伸，已取得了不同程度的成功。

間充質干細胞（MSC）是研究最廣泛的多能干細胞之一，存在于多個器官中并且可以源自各種組織。它們分化為幾乎任何終末期譜系細胞的能力和強大的旁分泌作用使間充質干細胞成為內源性再生的有希望的候選者。此外，間充質干細胞可以通過全身和局部遞送途徑安全有效地移植。

大量研究表明，間充質干細胞移植可以調節神經元生長和軸突重新延伸，并改善中樞神經系統損傷或退化后的神經系統功能。在這篇綜述中，我們討論了間充質干細胞治療神經系統疾病作用及其潛在的相關機制[1]。

間充質干細胞三大作用機制助力修復神經系統損傷

一、間充質干細胞的免疫調節作用

間充質干細胞的抗炎作用主要是通過分泌各種酶和可溶性因子及其對T淋巴細胞的旁分泌作用來實現的，包括幼稚CD4+T細胞、Th1細胞、Th2細胞、Th17細胞、CD4+FoxP3+調節性T細胞細胞 (Treg) 和CD8+T細胞。它們還具有多種抗炎作用，包括影響B細胞的趨化特性、抑制白細胞介素2 (IL-2) 誘導的自然殺傷 (NK) 細胞活化，下調 NK激活受體，并影響骨髓細胞的功能，如單核細胞、樹突狀細胞和巨噬細胞（圖1）。

MSC通過破壞免疫細胞的激活、增殖、成熟、細胞溶解活性、細胞因子產生或抗體產生來調節免疫細胞。中樞神經系統及其屏障充滿了先天性和適應性免疫細胞，它們在疾病中與神經膠質細胞相互作用。免疫細胞和神經膠質細胞之間的相互作用已被證明在中樞神經系統的再生能力中發揮著關鍵作用。間充質干細胞對免疫細胞的作用可能參與免疫細胞與神經膠質細胞的相互作用，進而影響中樞神經系統的再生。

大量數據發現，間充質干細胞可分泌多種可溶性分子，包括肝細胞生長因子（HGF）、轉化生長因子-β1（TGF-β1）、吲哚胺吡咯2,3-雙加氧酶（IDO）、前列腺素E2（PGE2）、白細胞介素等。(IL)-13、IL-10、IL-12p70、IL-17E和IL-27發揮抗炎潛力 。從BM、AT、牙髓、沃頓膠 (WJ) 和胎盤旁分泌抗炎因子（例如TGF-β）中分離的人MSC，可促進神經保護作用。促炎細胞因子、基質剛性、葡萄糖水平和缺氧可以增加MSC產生的TGF-β。另一方面，TGF-β也已被證明通過MSC中的SMAD2/3磷酸化發出信號來調節MSC本身的生物學。通過分泌生物活性和營養因子的能力，間充質干細胞對細胞再生和新組織生長產生顯著影響。

二、間充質干細胞的抗凋亡作用

體外研究表明，BM-MSC可以調節肌萎縮側索硬化癥 (ALS) 中神經元和膠質細胞對細胞凋亡的反應 。其他研究還表明，腦內、靜脈內或腦室內MSCs移植可以改善內源性神經細胞的凋亡。浸潤的炎癥相關免疫細胞釋放大量活性氧，導致受傷區域的程序性細胞死亡。MSCs可能抑制氧化應激并增加腦中抗凋亡Bcl-2基因的表達。既往研究表明，miRNA包括miR-134、miR-138-5p、miR132-3p、miR-21-3p和miR-22-3p在這些MSC介導的腦中抗凋亡作用中發揮重要作用。

三、間充質干細胞的軸突再延伸效應

損傷后軸突再生被定義為軸突再生和隨后損傷區域的神經支配，從而導致中樞神經系統功能的恢復。軸突再延伸被定義為軸突長時間的再生，長距離進行從頭生長以達到其目標。人們普遍認為，來自受損區域周圍外部環境的許多外在因素限制了軸突的重新延伸，例如硫酸軟骨素蛋白多糖（CSPG）、髓磷脂相關糖蛋白（MAG）、少突膠質細胞髓鞘糖蛋白和Nogo-A。阻止這些抑制信號被認為是促進軸突重新延伸的一種有前途的方法。

間充質干細胞已被證明可以幫助神經突克服Nogo-A、MAG和CSPG的抑制作用。在MSC/神經元共培養中，MSC相對于Nogo-A和 MAG 促進脊髓神經元粘附和神經突延伸。除了抑制外在因素外，MSC還為HGF、表皮生長因子 (EGF)、神經營養蛋白-3 (NT-3) 和GDNF重建功能性局部回路提供了有利的微環境。

間充質干細胞治療脊髓損傷

脊髓損傷會導致神經組織立即喪失，隨后受傷脊髓節段以下的感覺和運動功能會出現永久性缺陷。SCI常見的有前景的實驗療法包括神經營養因子、針對抑制分子的酶和抗體、活化的巨噬細胞、橋接支架和干細胞移植。基于干細胞的再生醫學已成為治療SCI的一種新的有前景的治療方法。間充質干細胞具有創造修復環境的潛力，這是探索間充質干細胞用于神經系統再生醫學的主要動機。

早在2021年，耶魯大學和日本札幌醫科大學的研究者在國際期刊《Clinical Neurology And Neurosurgery》共同發布了一項研究成果。在此項試驗中科研人員利用干細胞修復脊髓損傷，旨在探究干細胞的可行性、安全性與有效性。

招募的13位脊髓損傷患者在接受自體間充質干細胞治療后，有12名患者在6個月后神經功能得到明顯改善，并且超過一般患者關鍵技能（如走路和用手）有了實質性改善。該試驗證明：間充質干細胞治療脊髓損傷安全、有效。為脊髓損傷患者帶來了新希望。

間充質干細胞干細胞治療腦缺血

缺血性中風會引起廣泛的神經炎癥反應，這似乎是腦損傷擴散的原因。然而，旨在使用細胞抑制劑或介質減少缺血性中風后免疫反應的實驗療法尚未成功。在這種情況下，使用干細胞的新治療策略已成為一種有前途的工具。最常用的干細胞是MSC，因為它們具有強大的營養能力。間充質干細胞潛在治療活性的可能機制包括神經保護、免疫調節以及中風中神經發生、突觸發生、星形細胞發生、少突膠質細胞發生和血管發生的激活。目前的研究表明間充質干細胞發揮的有益作用主要與分化和免疫調節機制有關。

2016年，國際期刊雜志《HHS Author Manuscripts》發表了一篇移植改良骨髓間充質干細胞治療中風的臨床結果，加利福尼亞州斯坦福大學醫學院和斯坦福醫療保健中心神經外科發現中風患者的臨床結果（歐洲中風量表、美國國立衛生研究院中風量表和Fugl-Meyer總分）有所改善。

與此同時，2019年，美國中風雜志發表了一項靜脈注射同種異體間充質干細胞治療慢性中風的安全性和初步療效的I/II期研究結果，報道稱，在這項隨機、安慰劑對照研究中，慢性中風患者靜脈輸注同種異體間充質干細胞表明行為有所改善。

間充質干細胞治療神經退行性疾病

中樞神經系統疾病的患病率不斷上升，歸因于神經退行性疾病，包括阿爾茨海默病 (AD)、帕金森病 (PD)、亨廷頓病 (HD)、肌萎縮側索硬化癥 (ALS)、多發性硬化癥 (MS) 和多系統萎縮癥 (MSA) ）。此類疾病的一個共同特征是進行性神經元死亡，導致神經功能障礙。盡管近年來我們對神經退行性疾病病理學的認識有所提高，但尚未實現精確可靠的治療方法。目前常見的治療方法只是緩解癥狀，并不影響這些疾病的主要病理特征。間充質干細胞在細胞治療方面具有巨大的潛力，因為它們可以分化為神經命運并分泌多種因子，這些因子能夠促進神經保護或再生機制。此外，移植后，間充質干細胞具有歸巢神經損傷的能力，這意味著它們有可能用作治療藥物給藥的載體。

間充質干細胞治療阿爾茨海默病：2018年3月初，根據日本再生醫學安全法案，日本福岡三一診所使用AstroStem治療AD的安全性和有效性獲得了日本九州認證專業委員會的批準，認證結果同時遞交給了日本厚生勞動省九州分局，并于2018年4月11日正式獲批。2018年4月12日起，該診所開始使用AstroStem治療AD，目前已經開始對3例韓國AD患者進行首次細胞治療，方案仍是這些患者在2h內分別注射2億個細胞，未來他們將每2周接受1次治療，總共治療10次，目前試驗尚在進行之中。

異體間充質干細胞治療老年阿爾茨海默病的臨床應用也有報道。此前，美國Longeveron生物制藥公司，宣布自2016年10月至2020年9月招募33例50~80歲的AD患者參與Ⅰ期臨床試驗，以評估其骨髓異體MSCs產品對老年AD患者治療的安全性和有效性，這項隨機、安慰劑對照和雙盲的臨床試驗，將在佛羅里達州邁阿密大學米勒醫學院、邁阿密猶太衛生系統和大腦研究所進行。

Longeveron公司的異體MSCs產品來源于年輕健康供體的骨髓，對比從老年AD患者自體脂肪中提取的MSCs，年輕健康供者中獲得的高質量的干細胞，很可能具有治療效果上的優勢。根據劑量分為2組，一組接受2×107個細胞的外周靜脈注射，另一組接受1×108個細胞外周靜脈注射。該項目已在ClinicalTrail上注冊，目前還在進行中。

間充質干細胞治療帕金森病：2018年6月，中科院院士科研團隊在猴模型中測試了臍帶來源間充質干細胞治療帕金森病的安全性和有效性，展示了長達2年的評價數據，表明干細胞分化的神經細胞相對安全，且有明顯效果。為我國首項基于干細胞的I/II期帕金森治療臨床研究提供了臨床前數據支持。

2020年，美國、西班牙科學家合作，研究人員將間充質干細胞回輸到兩名帕金森病患者的面部組織中，發現可以持續減少患者的運動和非運動癥狀，降低藥物劑量，幫助兩位帕金森患者緩解了病情。該研究被發表在臨床神經科學雜志《Journal of Clinical Neuroscience》上。

間充質干細胞治療漸凍癥：以色列研究團隊開展自體骨髓MSC治療漸凍癥的臨床研究，19例患者接受MSC鞘內注射，9名患者同時接受1次靜脈注射，前6個月的觀察中ALSFRS平均分數保持穩定，在MSC治療后Treg細胞的數量短期內有所增加。

該團隊繼續開展1和2期臨床研究，其中1/2期有12名患者和2a期有14名患者（20-75歲），經過肌肉注射聯合鞘內注射MSC，大部分患者自我感覺改善良好，根據肺活量（FVC）和ALSFRS-R評分，這些患者治療后6個月在疾病進展惡化速率方面至少有25%的改善。

基于MSC的治療是一種安全可行的技術。由于臨床前和臨床研究已經證明間充質干細胞治療神經退行性疾病的有效性，許多研究開始關注增強療效的方法。

其他中樞神經系統疾病

盡管間充質干細胞治療中樞神經系統疾病的臨床應用目前仍處于起步階段，但間充質干細胞的研究在過去十年中迅速擴大。除了神經退行性疾病、腦缺血和脊髓損傷之外，大量動物模型研究也證明了間充質干細胞治療癲癇方面的作用。在癲癇大鼠模型中，BM-MSC可以通過抑制神經元細胞死亡和異常苔蘚纖維發芽來減少癲癇發生。UCB-MSCs可能會增強GABA神經遞質水平并改善戊四唑誘導的大鼠慢性癲癇的氧化應激損傷。

此外，在一期開放標簽研究中，間充質干細胞可以成為抗癲癇藥物耐藥性癲癇患者細胞治療的安全且有前途的候選者。為了提高MSC在癲癇小鼠模型中的治療效果，已使用基因工程MSC，例如IL-13工程MSC，其顯示出增強的神經保護和疾病緩解作用。

增強間充質干細胞治療效果的方法

盡管間充質干細胞是中樞神經系統再生的有希望的候選者，但低治療效果限制了其臨床應用。不同的培養條件可能會導致MSC的存活、歸巢和關鍵功能特征發生改變。

馬德里加爾等人發現低氧條件下的細胞培養通過增加HGF、TGF-b、VEGF、TSG-6的分泌對MSC的治療特性具有潛在影響，這對中樞神經系統再生很重要。

其他人證明促炎刺激和三維生長刺激MSC的營養因子分泌。顯然，培養條件將極大地影響間充質干細胞的治療效果。除了培養基之外，開發的治療策略也可以增強間充質干細胞的治療效果，例如遞送途徑和時機。盡管對于間充質干細胞的最佳輸送途徑尚未達成共識，但腦室內移植可能是最有效的。

通過回顧之前的臨床前和臨床研究，Park等人發現，與靜脈內和實質內途徑相比，間充質干細胞的腦室內移植可能與中樞神經系統再生的內源性增強有關。腦室內移植的間充質干細胞以時間依賴性方式減輕腦損傷。在腦室內出血大鼠模型誘導后2至7天給藥時，顯示出顯著的神經保護作用。

結論

越來越多的證據表明間充質干細胞可以成為促進中樞神經系統再生和功能恢復的潛在療法。間充質干細胞的治療作用極其復雜。證明它們在神經元存活、軸突重新延伸、突觸重新形成和髓鞘再生過程中與其他細胞的確切相互作用可能有助于研究人員優化基于間充質干細胞的療法的效果。間充質干細胞的最佳條件培養、輸送途徑和時機可能是提高治療效果的有前途的策略。

總之，研究中樞神經系統中的間充質干細胞可以深入了解中樞神經系統再生和修復的確切機制，有助于優化基于細胞的治療。

參考資料：[1]:Li M, Chen H, Zhu M. Mesenchymal stem cells for regenerative medicine in central nervous system. Front Neurosci. 2022 Dec 13;16:1068114. doi: 10.3389/fnins.2022.1068114. PMID: 36583105; PMCID: PMC9793714.

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