间充质干细胞在神经退行性疾病治疗中的应用进展

吴焕童，赵宇，张淑萍，覃筱燕

(中央民族大学转化神经科学中心，北京 100081)

神经退行性疾病是一类复杂的异质性疾病，其病因迄今不明，可能包括遗传和环境等多种因素。神经退行性疾病主要种类为亨廷顿病(HD)、肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)、帕金森病(PD)和阿尔兹海默症(AD)。目前，临床上对神经退行性疾病的治疗主要通过药物治疗缓解症状[1]。尽管目前已有数十种治疗神经退行性疾病的可筛选药物，而且许多动物实验也能肯定某些新药的疗效，但药物在临床实验中的效果却不尽人意。干细胞可以分化为神经细胞和胶质细胞，修复破损的神经组织，提高神经组织的功能[2～4]，对治疗神经退行性疾病有很大潜力。间充质干细胞(MSC)作为干细胞中的一员，具有更加优越的性能。MSC可以在骨髓、脂肪和脐带血中分离[5]，在特定的条件下分化成神经细胞和胶质细胞等[6]。MSC相比较于其他的干细胞作为细胞治疗的载体，没有免疫排斥反应、不良反应、社会伦理的局限和癌变现象，并有很好的旁分泌调节作用。现将MSC在神经退行性疾病治疗中的应用进展情况综述如下。

1　 MSC在HD治疗中的应用

HD是一种家族遗传疾病，主要病因是患者第四号染色体上的Huntington基因发生变异，产生的变异蛋白质在细胞内逐渐聚集成大分子并在脑中积累，影响神经细胞的功能。HD是目前无法治愈的遗传性疾病，患者最终在认知、情绪和运动等功能逐渐丧失后死亡[7]。目前，治疗HD较理想的过程是减少或消除聚集的突变蛋白对细胞的影响，同时替换被影响或已经死亡的神经元细胞[8～10]。

Lescaudron等[11]通过实验将从自身提取的MSC移植到纹状体受损的HD兔子脑中，发现移植后动物的记忆功能有明显改善；在这个过程中，MSC并没有分化，只是通过分泌营养物质起到支持和修复作用。侧脑室体积减小是HD病症得到修复的一个判定指标。文献[12]报道，在单边纹状体萎缩的HD小鼠模型中植入MSC，发现纹状体萎缩明显减少，并且侧脑室体积也恢复到相对正常的水平，接近正常的侧脑室大小。

MSC移植到纹状体后，能够修复HD患者受损的纹状体神经元，并且能够识别受损区域，自主向受损区域迁移；Delcroix等[13]用铁纳米标记MSC细胞，探究MSC细胞注射入大脑之后的迁移方向，发现即使注射部位与损伤部位有很大的距离，进入大脑的MSC细胞还是会向损伤区域迁移。文献[9]报道，siRNA应用于HD动物模型中能减少突变蛋白，但其在临床上应用主要面临的问题是如何把siRNA安全高效的送入患者脑中。研究[14]表明，可以利用MSC作为运载体将siRNA带入大脑中，并且因为MSC有识别受损区域的特性，所以能够使siRNA发挥更好的治疗作用。

2　 MSC在ALS治疗中的应用

ALS是一种在皮层、脑干和脊髓运动神经元不可逆转破坏的神经退行性疾病。整个神经轴的运动神经元被破坏后，最终导致肌肉的整体萎缩。在确诊5 a之内，绝大多数ALS患者会发生呼吸肌麻痹，最后因呼吸衰竭而死亡。ALS主要的病理特征有神经毒性物质如谷氨酸等堆积在神经细胞之间造成神经细胞的损伤，自由基使神经细胞受损，神经生长因子缺乏使神经细胞无法持续生长、发育[15]。但至今为止，ALS准确的发病原因尚未清楚，所以没有特效的治疗手段，药物治疗起到缓解症状的作用。目前，力如太是美国FDA惟一认可针对ALS的治疗药物，可起到延缓病程作用。MSC治疗在临床上可通过细胞替代、分泌营养因子和基因修饰等方法对ALS进行治疗。而MSC的特点成为了利用干细胞治疗ALS的关键因素。在ALS症状发生前向ALS转基因G93A小鼠静脉注射MSC，在接纳能力较强的实验小鼠中，注射的MSC已存活超过20周，并且已经融入小鼠的大脑和脊髓的软组织中。相比较未经处理的小鼠，注射过MSC的小鼠发病时间延迟，并且存活时间也有所延长[16]。在ALS动物实验中注射MSC是安全的，并且可迁移到脊髓处，延迟运动神经元的损伤和增加神经元的存活时间[17]。

另外，通过定性检查各年龄层G93A小鼠的肌肉神经接头和脊髓，Fischer等[18]发现ALS动物神经病变开始于肌肉神经接头，运动神经元和胶质细胞形态出现畸形并且功能异常，大约60%的脊神经前根被破坏，导致肌肉神经连接受影响。胶质细胞源性的神经营养因子(GDNF)与运动神经元有很高的亲和性，能够延迟运动神经元的死亡。由于GDNF是大分子蛋白，很难通过血脑屏障，因此不能进入大脑对受损的运动神经元进行修复。而MSC可以进入大脑并准确找到受损部位，因此Suzuki等[19]利用MSC使GDNF在G34A小鼠脑中进行过表达，通过分泌营养物质增加了肌肉的神经接头数量，进而改善和提高了ALS小鼠的运动能力。

3　 MSC在PD治疗中的应用

PD最主要的病理改变是中脑黑质多巴胺(DA)能神经元的变性死亡，引起纹状体DA含量显著性减少而致病。干细胞治疗的目的是利用健康的黑质多巴胺能神经元代替损伤的多巴胺能神经元或保护修复受损伤的神经元。多种类型的干细胞都能分化成多巴胺能神经元。目前，许多干细胞替代疗法都在进行动物模型实验和临床实验中。MSC也因为神经修复作用以及可以传输一些神经保护因子而成为PD治疗的重点研究方向[20,21]。

Jin等[21]发现，MSC能够分泌GDNF，如神经生长因子(NGF)和脑源性神经营养因子(BDNF)，它们能够上调小鼠脑中酪氨酸羟化酶的表达。将中脑细胞与MSC共培养，发现经过共培养的神经元细胞酪氨酸羟化酶表达量较对照组上调[21]。Bouchez等[22]将MSC移植入PD模型小鼠脑中，发现小鼠行为损伤有所缓解，损伤的多巴胺能神经元及纹状体得到部分恢复。Sadan等[23]在PD模型小鼠脑中移植MSC后，发现MSC分泌的BDNF对受损神经元改善达45%，同时过表达BDNF的MSC对于神经元细胞修复作用比MSC效果要好。

胶质细胞源性GDNF及其相关的新型神经营养因子neurturin(NTN)已被实验证实能使受损的多巴胺能神经元恢复功能，而在临床实验中将NTN直接注入脑中确没有疗效。用病毒载体将NTN带入脑中同样没有通过二期临床实验。研究[24,25]证明，可以用MSC作为载体，将NTN输送入脑中发挥有效治疗作用。最近一项研究报告，移植了胎儿中脑多巴胺能神经元后，神经元细胞一直在接受者体内存活，虽然受试者的症状并没有很明显的缓解，但却提供了治疗PD的临床思路，可以利用MSC在其生存微环境中分泌的一些营养物质对神经元进行修复[24]。

4　MSC在AD治疗中的应用

阿尔茨海默病(AD)是一种起病隐匿的进行性发展的神经系统退行性疾病，是老年痴呆的主要类型。临床上AD以记忆障碍、失语、失用、失认、视空间技能损害、执行功能障碍及人格和行为改变等全面性痴呆表现为特征，病因迄今未明。AD的主要病理改变为：①大脑皮层和海马等部位以胆碱能神经元为主的神经元丢失；②细胞内Tau蛋白的异常磷酸化引起神经原纤维缠结(NFT)；③细胞外以β-淀粉样蛋白(Aβ)为主沉积形成老年斑(Sp)；④脑血管淀粉样病变；其中以神经元丢失、NFT和Sp为其特征性改变[26]。

Liang等将MSC分离并培养在含有骨形态发生蛋白4和成纤维细胞生长因子8的培养基中，发现脐带MSC(UC-MSC)在体外可经诱导分化为胆碱能样神经元，可表达胆碱能神经元标志物胆碱乙酰基转移酶并分泌乙酰胆碱。磷脂酰胆碱特异性磷脂酶C的特异性抑制剂D609诱导UC-MSC分化为神经元样细胞，并将诱导后的细胞植入Aβ PPswe/PS1转基因AD小鼠模型中，观察到移植后的小鼠β-淀粉样蛋白沉积减少和记忆力增强。Garcia等发现，利用过表达内皮生长因子(VEGF)的MSC移植入AD模型的小鼠中，发现血管周围的Aβ蛋白沉淀量明显减少，毛细血管再生，神经缠结情况也有所改善。在体实验中，移植过表达VEGF MSC的小鼠的学习记忆能力也有了明显的改善。

参考文献：

[1] Prockop DJ. Marrow stromal cells as stem cells for nonhematopoietic tissues[J]. Science, 1997,276(5309):71-74.

[2] Nicaise C, Mitrecic D, Falnikar A, et al. Transplantation of stem cell-derived astrocytes for the treatment of amyotrophic lateral sclerosis and spinal cord injury[J]. World J Stem Cells, 2015,7(2):380-398.

[3] Chen BK, Staff NP, Knight AM, et al. A safety study on intrathecal delivery of autologous mesenchymal stromal cells in rabbits directly supporting phase I human trials[J]. Transfusion, 2015,55(5):1013-1020.

[4] Lee HJ, Kim KS, Ahn J, et al. Human motor neurons generated from neural stem cells delay clinical onset and prolong life in ALS mouse model[J]. PLoS One, 2014,9(5):e97518.

[5] Stoll EA. Advances toward regenerative medicine in the central nervous system: challenges in making stem cell therapy a viable clinical strategy[J]. Mol Cell Ther, 2014,2(1):12.

[6] Zhao Y, Jiang H, Liu XW, et al. MiR-124 promotes bone marrow mesenchymal stem cells differentiation into neurogenic cells for accelerating recovery in the spinal cord injury[J]. Tissue Cell, 2015,47(2):140-146.

[7] Boudreau RL, McBride JL, Martins I, et al. Nonallele-specific silencing of mutant and wild-type huntingtin demonstrates therapeutic efficacy in Huntington′s disease mice[J]. Mol Ther, 2009,17(6):1053-1063.

[8] Harper SQ, Staber PD, He X, et al. RNA interference improves motor and neuropathological abnormalities in a Huntington′s disease mouse model[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2005,102(16):5820-5825.

[9] DiFiglia M, Sena-Esteves M, Chase K, et al. Therapeutic silencing of mutant huntingtin with siRNA attenuates striatal and cortical neuropathology and behavioral deficits[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2007,104(43):17204-17209.

[10] Wang YL, Liu W, Wada E, et al. Clinico-pathological rescue of a model mouse of Huntington′s disease by siRNA[J]. Neurosci Res, 2005,53(3):241-249.

[11] Lescaudron L, Unni D, Dunbar GL. Autologous adult bone marrow stem cell transplantation in an animal model of huntington′s disease: behavioral and morphological outcomes[J]. Int J Neurosci, 2003,113(7):945-956.

[12] Amin EM, Reza BA, Morteza BR, et al. Microanatomical evidences for potential of mesenchymal stem cells in amelioration of striatal degeneration[J]. Neurol Res, 2008,30(10):1086-1090.

[13] Delcroix GJ, Jacquart M, Lemaire L, et al. Mesenchymal and neural stem cells labeled with HEDP-coated SPIO nanoparticles: in vitro characterization and migration potential in rat brain[J]. Brain Res, 2009,1255(2009):18-31.

[14] Lombardi MS, Jaspers L, Spronkmans C, et al. A majority of Huntington′s disease patients may be treatable by individualized allele-specific RNA interference[J]. Exp Neurol, 2009,217(2):312-319.

[15] Vucic S, Kiernan MC. Pathophysiology of neurodegeneration in familial amyotrophic lateral sclerosis[J]. Curr Mol Med, 2009,9(3):255-272.

[16] Zhao CP, Zhang C, Zhou SN, et al. Human mesenchymal stromal cells ameliorate the phenotype of SOD1-G93A ALS mice[J]. Cytotherapy, 2007,9(5):414-426.

[17] Vercelli A, Mereuta OM, Garbossa D, et al. Human mesenchymal stem cell transplantation extends survival, improves motor performance and decreases neuroinflammation in mouse model of amyotrophic lateral sclerosis[J]. Neurobiol Dis, 2008,31(3):395-405.

[18] Fischer LR, Culver DG, Tennant P, et al. Amyotrophic lateral sclerosis is a distal axonopathy: evidence in mice and man[J]. Exp Neurol, 2004,185(2):232-240.

[19] Suzuki M, Mchugh J, Tork C, et al. Direct muscle delivery of GDNF with human mesenchymal stem cells improves motor neuron survival and function in a rat model of familial ALS[J]. Mol Ther, 2008,16(12):2002-2010.

[20] Jenner P. Functional models of Parkinson′s disease: a valuable tool in the development of novel therapies[J]. Ann Neurol, 2008,64(Suppl2):16-29.

[21] Jin GZ, Cho SJ, Choi EG, et al. Rat mesenchymal stem cells increase tyrosine hydroxylase expression and dopamine content in ventral mesencephalic cells in vitro[J]. Cell Biol Int, 2008,32(11):1433-1438.

[22] Bouchez G, Sensebé L, Vourc HP, et al. Partial recovery of dopaminergic pathway after graft of adult mesenchymal stem cells in a rat model of Parkinson′s disease[J]. Neurochem Int, 2008,52(7):1332-1342.

[23] Sadan O, Bahat-Stromza M, Barhum Y, et al. Protective effects of neurotrophic factor-secreting cells in a 6-OHDA rat model of Parkinson disease[J]. Stem Cells Dev, 2009,18(8):1179-1190.

[24] Peterson AL, Nutt JG. Treatment of Parkinson′s disease with trophic factors[J]. Neurotherapeutics, 2008,5(2):270-280.

[25] Manfredsson FP, Okun MS, Mandel RJ. Gene therapy for neurological disorders: challenges and future prospects for the use of growth factors for the treatment of Parkinson′s disease[J]. Curr Gene Ther, 2009,9(5):375-388.

[26] Behl C, Moosmann B. Oxidative nerve cell death in Alzheimer′s disease and stroke: antioxidants as neuroprotective compounds[J]. Biol Chem, 2002,383(3-4):521-536.