骨髓间充质干细胞移植治疗缺血性脑卒中的机制

余 倩综述，李经伦审校（．泸州医学院，四川泸州 646000；．泸州医学院附属医院，四川泸州 646000）

缺血性脑卒中即脑梗死，是神经内科的常见病，具有较高的发病率和致残率，在严重影响患者生活质量的同时，增加了患者家庭及社会的负担。缺血性脑卒中的主要发病机制是由于局部脑组织血液供应突然减少或中断后导致脑细胞缺血、缺氧，从而产生相应的神经功能缺损症状。目前临床治疗缺血性脑卒中的主要目的在于尽可能挽救缺血半暗带区细胞，但均不能使缺血性脑卒中后形成的缺血区神经细胞完全存活，而且由于受到时间窗的限制，溶栓治疗也不能得以广泛应用。近年来，对于干细胞移植的研究为缺血性脑卒中的治疗开辟了新的途径。已有大量的动物实验表明，骨髓间充质干细胞（BMSCs）作为一种多潜能干细胞，能在体内环境中被诱导分化为神经细胞，发挥神经功能修复作用［1－4］。但对于其特殊的作用机制目前还存在着较多的争议。因此，BMSCs在缺血性脑卒中神经功能修复方面的机制已成为目前关于BMSCs的研究热点之一。本文现将BMSCs在神经功能修复方面的作用机制相关研究综述如下。

1 神经细胞替代作用

缺血性脑卒中后神经细胞的坏死是导致神经功能缺损的重要原因。如果能用新的细胞替代已坏死的细胞是治疗缺血性脑卒中最理想的状态。Skvortsova等［5］通过静脉注射的方式将人BMSCs移植到局灶性脑缺血大鼠模型体内，结果发现所移植的人BMSCs主要集中分布在缺血性脑卒中部位，且部分BMSCs可分化成神经元细胞及神经胶质细胞，使大鼠神经功能缺损症状得以改善。Shen等［6］利用雄性大鼠的BMSCs，通过静脉移植的方式治疗脑中动脉阻塞（MCAO）雌性大鼠模型，染色检查结果显示，移植的BMSCs主要集中分布于脑缺血区域，并且表达神经元特异性核蛋白（NeuN）、胶质纤维酸性蛋白（GFAP）及微管蛋白2（MAP－2）等神经系统细胞特异性标志物，但表达比例均较低。上述动物模型体内研究证实，移植的BMSCs在脑内可分化为神经细胞，但分化率较低，说明分化细胞的神经功能替代作用可能较为有限。因此，移植的BMSCs所具有的神经功能恢复效应还可能与其他机制有关。

2 促进血管再生及血脑屏障的修复

缺血性脑卒中后缺血区域的血管再生与后期神经功能的恢复有着密切联系。Ma等［7］发现 MCAO大鼠模型海马区的α微管蛋白的表达水平显著降低，而将人BMSCs移植到MCAO大鼠模型体内，可以显著上调α微管蛋白在海马区的表达水平，同时也可以上调血管生成素1和2的表达水平，从而促进缺血区域的血管再生。也有研究发现，经静脉移植的BMSCs主要分布在发生梗死的区域，且发病区域的血管内皮生长因子（VEGF）及其受体2（VEGFR2）的表达水平升高，从而促进缺血半暗带区域血管的新生［8－9］。由此可见，移植的BMSCs可能通过提高缺血半暗带区VEGF及VEGFR2的表达，进而促进缺血半暗带新生血管的形成，改善脑组织的局部血流，为神经功能的内源性修复提供微环境。Borlongan等［10－11］的研究发现，MCAO大鼠模型在BMSCs移植4d后，脑血流量恢复正常，移植5d后血脑屏障的重建基本完成，而且，其研究亦证实脑组织血流量和血脑屏障的修复速度可能与移植细胞的数量存在正相关性。这表明BMSCs可能通过改善脑组织血流及修复血脑屏障发挥神经修复作用。

3 激活内源性的修复途径

BMCs也可通过激活内源性的修复途径，即通过促进内源性神经干细胞增生和定向迁移而发挥神经修复作用。在成年哺乳动物的侧脑室室下区（SVZ）和海马齿状回颗粒下带（SGZ）均存在神经前体细胞。有研究发现，缺血性脑卒中后梗死区域形成的新的神经元和神经胶质细胞是由神经前体细胞增殖、迁移而来的［12］。Thored等［13］的研究发现，分布于SVZ和SGZ的神经前体细胞增殖并向梗死区域迁移的过程，受到基质细胞衍生因子1（SDF－1）及其受体CXCR4的调控。Zhu等［14］的研究发现，BMSCs定向迁移的过程也与趋化因子fractalkine及其受体CX3CR1有关。Bao等［15］通过静脉注射BMSCs移植治疗MCAO大鼠模型，结果发现移植治疗14d后，移植治疗组大鼠神经功能明显恢复，且移植组大鼠SVZ和SGZ的内源性细胞显著增生。上述研究均表明，脑卒中后内源性的修复途径可以被激活，内源性的神经前体细胞可有效增殖和迁移，而且BMSCs移植能够促进和提升这种内源性修复途径的效能。

4 促进突触发生和神经连接重塑

细胞之间的信号转导主要是通过突触结构而完成。Li等［16］经静脉注射BMSCs移植治疗脑缺血大鼠模型，发现BMSCs移植后，大鼠神经功能得以改善，且移植治疗组大鼠脑组织损伤边界及脑室下区轴突生长相关蛋白43（GAP－43）的表达水平明显升高，表明移植的BMSCs可以促进脑内突触的增加，重建神经连接，从而使神经功能得以恢复。Shen等［6，17］通过静脉移植BMSCs治疗MCAO大鼠模型，发现移植治疗组大鼠突触素表达水平升高，移植的BMSCs可促进缺血半暗带突触的再生，且证实内源性组织纤维蛋白溶酶原激活剂（t－PA）可能在BMSCs促进突触发生中起到重要作用。Liu等［18］首先对MCAO小鼠模型行左侧半球锥体束切断术，再进行静脉移植BMSCs治疗，结果发现经BMSCs移植治疗后，小鼠运动功能明显恢复，且小鼠双侧皮质脊髓束的轴突密度均明显增加，该研究亦证实，移植BMSCs可以诱导突触的形成，使受损的神经连接得以重塑。由此可见，促进突出发生和神经连接重塑可能也是BMSCs促进神经功能恢复的重要机制。

5 抑制炎性反应及免疫调节作用

脑组织缺血后会诱导各种细胞因子的释放，引起免疫应答反应，从而加速组织的损伤。包括肿瘤坏死因子－α（TNF－α）在内的炎性细胞因子通过诱导细胞间黏附分子、血管细胞黏附分子及选择蛋白的产生，进而诱导并促进炎性反应的发展。另一方面，抗炎性细胞因子，如白细胞介素－10（IL－10）等则通过抑制炎性细胞因子的释放，发挥保护损伤脑组织的作用。Liu等［19］发现移植的BMSCs可在上调抗炎性细胞因子IL－10表达的同时，下调炎性因子TNF－α的表达，从而抑制炎性反应而达到改善脑缺血后神经功能缺损症状的目的。Ohtaki等［20］的研究发现，经静脉注射的BMSCs可以使炎性反应及免疫反应相关基因的表达下调大约10%。因此可以认为，抑制脑缺血诱导的炎性反应和调节免疫平衡是BMSCs移植治疗缺血性脑卒中，发挥神经功能修复作用的又一机制。

6 小 结

BMSCs移植治疗缺血性脑卒中可能涉及多种机制，缺血性脑卒中的微环境促进BMSCs的分泌作用，BMSCs进入受损脑组织后，可能分泌一系列的细胞因子和营养因子，包括脑源性神经营养因子（BDNF）、神经生长因子（NGF）、血管内皮生长因子（VEGF）、胰岛素样生长因子－1（IGF－1）和基质细胞衍生因子－1（SDF－1）等等。而上述细胞因子和营养因子表达水平升高，有助于激活内源性的修复途径，促进突触形成、神经连接重塑及血管新生，减少细胞凋亡，恢复脑组织血流，修复血脑屏障，抑制炎性反应和免疫调节等。各种机制间也存在一定的相互作用，可使缺血性脑卒中神经功能缺损症状得以恢复。

近年来，大量动物模型体内研究表明，BMSCs能改善缺血性脑卒中后神经功能缺失症状，具有广阔的应用前景，已成为当今生命科学的研究热点。目前主要研究焦点在于：（1）寻求诱导BMSCs定向迁移及分化的方法；（2）探索BMSCs的最佳移植途径、移植细胞数量及移植时间窗；（3）对BMSCs移植治疗的疗效和安全性的评价。虽然BMSCs移植治疗尚未正式应用于临床，但有理由相信BMSCs的神经修复及重建功能将为缺血性脑卒中的治疗带来新的曙光。

［1］ Li Y，Chen J，Chen XG，et al．Human marrow stromal cell therapy forstroke in rat：neurotrophins and functional recovery［J］．Neurology，2002，59（4）：514－523．

［2］ Chen X，Li Y，Wang L，et al．Ischemic rat brain extracts induce human marrow stromal cell growth factor production［J］．Neuropathology，2002，22（4）：275－279．

［3］ Lee J，Kuroda S，Shichinohe H，et al．Migration and differentiation of nuclear fluorescence－labeled bone marrow stromal cells aftertransplantation into cerebral infarct and spinal cord injury in mice［J］．Neuropathology，2003，23（3）：169－180．

［4］ Shen LH，Li Y，Chen J，et al．Intracarotid transplantation of bone marrow stromal cells increases axon－myelin remodeling after stroke［J］．Neuroscience，2006，137（2）：393－399．

［5］ Skvortsova VI，Gubskiy LV，Tairova RT，et al．Use of bone marrow mesenchymal（stromal）stem cells in experimental ischemic stroke in rats［J］．Bull Exp Biol Med，2008，145（1）：122－128．

［6］ Shen LH，Li Y，Chen J，et al．Therapeutic benefit of bone marrow stromal cells administration 1month after stroke［J］．J Cereb Blood Flow Metab，2007，27（1）：6－13．

［7］ Ma XL，Liu KD，Li FC，et al．Human mesenchymal stem cells increases expression ofα－tubulin and angiopoietin 1 and 2in focal cerebral ischemia and reperfusion［J］．Curr Neurovasc Res，2013，10（2）：103－111．

［8］ Chen J，Zhang ZG，Li Y，et al．Intravenous administration of human bone marrow stromal cells induces angiogenesis in the ischemic boundary zone after stroke in rats［J］．Circ Res，2003，92（6）：692－699．

［9］ Deng YB，Ye WB，Hu ZZ，et al．Intravenously administered BMSCs reduce neuronal apoptosis and promote neuronal proliferation through the release of VEGF after stroke in rats［J］．Neurol Res，2010，32（2）：148－156．

［10］Borlongan CV，Lind JG，Dillon－Carter O，et al．Intracerebral xenografts of mouse bone marrow cells in adult rats facilitate restoration of cerebral blood flow and bloodbrain barrier［J］．Brain Res，2004，1009（1／2）：26－33．

［11］Borlongan CV，Lind JG，Dillon－Carter O，et al．Bone marrow grafts restore cerebral blood flow and blood brain barrier in stroke rats［J］．Brain Res，2004，1010（1／2）：108－116．

［12］Minger SL，Ekonomou A，Carta EM，et al．Endogenous neurogenesis in the human brain following cerebral infarction［J］．Regen Med，2007，2（1）：69－74．

［13］Thored P，Arvidsson A，Cacci E，et al．Persistent production of neurons from adult brain stem cells during recovery after stroke［J］．Stem Cells，2006，24（3）：739－747．

［14］Zhu J，Zhou Z，Liu Y，et al．Fractalkine and CX3CR1are involved in the migration of intravenously grafted human bone marrow stromal cells toward ischemic brain lesion in rats［J］．Brain Res，2009，1287：173－183．

［15］Bao X，Wei J，Feng M，et al．Transplantation of human bone marrow－derived mesenchymal stem cells promotes behavioral recovery and endogenous neurogenesis after cerebral ischemia in rats［J］．Brain Res，2011，1367：103－113．

［16］Li Y，Chen J，Zhang CL，et al．Gliosis and brain remodeling after treatment of stroke in rats with marrow stromal cells［J］．Glia，2005，49（3）：407－417．

［17］Shen LH，Xin H，Li Y，et al．Endogenous tissue plasminogen activator mediates bone marrow stromal cell－induced neurite remodeling after stroke in mice［J］．Stroke，2011，42（2）：459－464．

［18］Liu Z，Li Y，Zhang RL，et al．Bone marrow stroma l cells promote skilled motor recovery and enhance contra lesional axonal connections after ischemic stroke in adult mice［J］．Stroke，2011，42（3）：740－744．

［19］Liu N，Chen R，Du H，et al．Expression of IL－10and TNF－alpha in rats with cerebral infarction after transplantation with mesenchymal stem cells［J］．Cell Mol Immunol，2009，6（3）：207－213．

［20］Ohtaki H，Ylostalo JH，Foraker JE，et al．Stem／progenitor cells from bone marrow decrease neuronal death in global ischemia by modulation of inflammatory／immune responses［J］．Proc Acad Sci USA，2008，105（38）：14638－14643．