超顺磁性氧化铁在干细胞移植治疗神经系统疾病中的应用



超顺磁性氧化铁在干细胞移植治疗神经系统疾病中的应用

刘艳秋李金凤王运良

解放军第一四八中心医院神经内科淄博255300

【关键词】超顺磁性氧化铁；干细胞移植；神经系统疾病

神经系统疾病中，无论是神经系统变性疾病和中枢神经系统炎性脱髓鞘病为主要特点的自身免疫系统疾病，还是以脑缺血、脑出血为高发的急性脑血管疾病，其所造成的神经功能缺损及严重认知功能障碍一直是临床治疗的难点，严重威胁着人类的健康和生活，且致死率和致残率较高，给患者本人、家庭和整个社会带来沉重的负担[1-5]。

然而，随着再生医学的发展，干细胞移植治疗神经系统疾病的探讨已成为当今神经科学领域研究的热点[3，6-9]。但如何示踪植入的干细胞在活体内的存活、迁移及分化等一直是科研工作者的研究难题。20纪90年代初即有人将超顺磁性氧化铁(superparamgnetic iron oxides，SPIO)标记的神经前体细胞移植入鼠脑内，在磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)的T2WI上，植入的神经前体细胞局部显示低信号。自此揭开了干细胞移植的新篇章，无创性示踪移植细胞在活体内的存活、迁移及分化成为现实。本文就近几年SPIO与干细胞移植治疗神经系统疾病的一些相关研究进行综述。

1SPIO

1.1SPIO的基本特性SPIO是以葡聚糖等包裹氧化铁而得的一种新型磁共振对比剂。由于其特殊的化学结构，即使在较弱的磁场中也能产生较强的磁性，撤销外加磁场后其磁性也随之消失。不同大小的SPIO其分布、磁性与作用也不同。大的颗粒50～150 nm，可以用作肝、脾等MRI的造影剂。小的颗粒直径约20 nm，可显示不同器官的分布，并可改善淋巴结无创性评估或描绘一个潜在脆弱的动脉粥样硬化斑块。SPIO还可以标记细胞，检测细胞在活体内的迁移[10-11]。

1.2SPIO标记干细胞的机制SPIO标记干细胞的机制有多种，包括直接胞吞作用、受体介导的胞吞作用、转染试剂转染后介导的胞吞作用、电穿孔法等[12]。其中转染试剂转染后介导较为常用。王爽等[13]在国内利用转染试剂介导的方法首次以ferumoxides(一种SPIO)作为磁标记探针对神经干细胞进行磁标记。其把不同浓度的ferumoxides与神经干细胞共同孵育48 h，通过透射电镜观察发现SPIO可以被神经干细胞吞噬。

1.3SPIO的安全性检测SPIO的毒性完全取决于铁的含量，铁是人体必需的微量元素，正常范围内的铁可被人体所吸收，但过量的铁会对细胞产生一定的毒性[10-11]。Neri对SPIO标记的神经前体细胞的研究提示，适当的SPIO浓度可使标记率达到100%，对细胞的活力和增殖能力无明显影响，重要的是对干细胞特有的自我更新能力也不产生明显影响，但随着氧化铁的浓度的增加，细胞的活力和增殖能力逐渐受到影响，甚至细胞凋亡坏死[14]。王爽等[14]研究也证明，SPIO的浓度在2.8～16 μg/mL时，随着浓度的升高对神经干细胞的存活、分化无显著差异，但>22.4 μg/mL时，SPIO的浓度对神经干细胞的存活、分化有影响。而对胚胎干细胞和脂肪干细胞进行SPIO标记，研究结果均证明SPIO对细胞的增殖分化无影响[15-16]。同时也有学者研究，适当浓度的SPIO是否对活体产生影响，结果表明，无论是局部还是全身注射SPIO，一般注射后14 d都观察不到SPIO的残留，更没有SPIO激活带来的影响[17]。

2SPIO在神经干细胞移植治疗神经系统疾病领域中的应用

干细胞是一类具有自我更新能力和高度分化潜力的细胞，在合适的条件下或给予适当的诱导可以分化为多种成体组织细胞。随着从细胞水平、分子水平对干细胞的深入研究，使干细胞被视为治疗神经系统疾病很有希望的新途径、新策略[6-9]。而与SPIO的结合，又进一步使干细胞的疗效得到可观的依据，使得干细胞的应用有了更加科学的依据。

2.1帕金森病(Parkinson′s disease，PD)PD是一种中老年人常见的运动障碍性疾病，以黑质多巴胺能神经元变性缺失和路易小体形成为病理特征。临床表现为静止性震颤、运动迟缓、肌强直和姿势步态异常等[2，18]。传统的左旋多巴等药物治疗效果不明显且药物不良反应较多。随着再生医学的发展，越来越多的人尝试通过干细胞移植修复受损多巴胺能神经元，重建神经功能，且疗效明显[19]。王诚等[20]应用6-羟基多巴液直接注入SD大鼠前脑，制作PD模型。取10只成功的SD大鼠模型，通过右侧颈动脉注入SPIO标记的第4代骨髓基质细胞(Bone Marrow Stromal Cells，BMSCs)，假手术组取5只SD大鼠注入生理盐水，对照组取5只SD大鼠未做任何处理。细胞移植后2、4、6、8周进行行为学观察及MRI动态观察SPIO标记的BMSCs。结果显示，接受细胞移植的10只SD大鼠，在移植后第4、6、8周阿扑吗啡诱发的旋转次数与假手术组、对照组及治疗前相比明显减少。在移植后第2、4、6、8周通过MRI观察均能发现脑内明显的低信号区，且随时间延长，低信号区逐渐缩小。

2.2多发性硬化(multiple sclerosis，MS)MS是一种中枢神经系统白质脱髓鞘为主要病理特点的自身免疫性疾病，此病好发于20～40岁的中青年，大多数患者表现为反复发作的神经功能障碍，多次缓解复发，病情每况愈下，严重影响患者的生活质量。目前还未发现根治此病的药物，传统的激素及免疫抑制剂治疗只能控制病情急性发作，在延缓病情进展方面无明显疗效，且此类药物不良反应较多[3]。近年来，随着对MS致病机制的不断深入研究，对MS的治疗也发生了巨大变化。利用细胞移植促进髓鞘再生被认为是治疗MS的一种有效方法[3]。Franklin等[22]1999年就已进行了此方面的研究，利用SPIO标记的少突胶质细胞前体细胞(CG-4)移植入MS得成年鼠模型，在细胞移植后第1天和第7天SPIO可以作为一种低信号通过MRI显示出来，并且通过电镜也可以检测到。

2.3缺血性脑卒中(cerebral ischemic stroke，CIS)CIS是指各种原因引起的脑部血液供应障碍，使局部脑组织发生不可逆性损害，导致脑组织缺血、缺氧性坏死。缺血性脑卒中的治疗关键在于修复损伤神经元、减少神经元的死亡[4]。Song等[22]通过闭塞大脑中动脉制作局灶性脑缺血的大鼠模型。在大脑中动脉闭塞24 h以后经尾静脉注入SPIO标记的神经干细胞，然后用1.5T倒置MRI间断观察4周(缺血前1 d，细胞移植后1 d、3 d，以及以后的每1周)，在鼠的大脑组织切片上，普鲁士蓝和抗BrdU荧光染色可以鉴别移植细胞，且普鲁士蓝染色区域与MRI影像上T2加权低信号和三维梯度回波信号一致，充分证明了SPIO存在于移植细胞内。且SPIO可以通过在MRI影像上显示的低信号直观反映移植细胞向损伤组织移行的过程。Rice等[24]也是通过闭塞大脑中动脉制作局灶性脑缺血的大鼠模型，不同的是他们注射的是SPIO标记的脂肪来源干细胞。移植2周后用7T倒置MRI观察发现在脑梗死邻近部位发现低信号，此低信号区域与大鼠脑组织普鲁士蓝染色区域一致，说明了SPIO可充分标记脂肪来源干细胞，并且可示踪其在活体内的迁移过程。

2.4脊髓损伤(spinal cord injuries，SCI)SPIO标记骨髓间充质细胞(mesenchymal stem cells，MSC)移植入脊髓半横断损伤的成年鼠模型，在细胞移植后1周，通过MRI可以发现MSC作为一种低信号向骨髓损伤区迁移，这种低信号可持续存30 d。且细胞移植前后的模型鼠在功能恢复方面有了明显的提高[24]。刘宇等[25]将SPIO标记的MSC通过蛛网膜下腔移植到脊髓损伤大鼠模型。普鲁士蓝染色后，倒置显微镜观察可发现大部分移植细胞胞质内均可见蓝色颗粒。移植后3、7、14 d通过MRI观察，发现注射部位T2低信号逐渐减弱，脊髓损伤区域T2低信号逐渐增强。MRI结果与组织切片荧光检查一致。

3展望

以往多通过光镜识别干细胞标记物，必须用传统的组织病理学检查，从体内取得组织才能进行细胞探测，这显然不适合进行动态观察，更不适用于临床研究，尤其是神经系统疾病。SPIO可以有效地进行活细胞标记，而这种标记方法不会影响细胞的活力、生长、分裂、迁移、分化等生物学功能，对细胞没有毒性，具有良好的安全性，可以用MRI进行活体示踪研究，为干细胞治疗神经系统疾病的疗效带来更直观可靠的科学依据。而科学家们不断的努力探讨，使得SPIO标记干细胞更加高效，如纳米化或特殊物质涂层。因此，这些方法的应用会使得广大患者充满信心地接受干细胞移植，为疾病的治疗带来更多的希望。

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(收稿2015-10-22)

【中图分类号】R741.05

【文献标识码】A

【文章编号】1673-5110(2016)02-0128-02