神经干细胞移植治疗缺血性脑损伤的研究进展*

刘宗秀，高维娟

（1.承德医学院病理生理学教研室，河北承德 067000；2.河北中医学院/河北省中医药防治心脑血管病基础研究重点实验室）

缺血性脑损伤是当前威胁人类生命健康的主要疾病之一，是导致人类死亡和残疾的常见原因。脑缺血时，病理变化复杂，损伤后被激活的内源性神经干细胞（neural stem cells，NSCs）诱导神经恢复有限。近年来，NSCs体外培养技术逐渐成熟，移植NSCs拯救缺血半暗带濒死的神经元，能明显促进神经功能的恢复[1]，但NSCs移植治疗脑缺血的作用机制尚不完全清楚，本文就NSCs移植对缺血性脑损伤的治疗作用进行综述。

1 缺血性脑损伤简述

缺血性脑损伤包括一系列复杂病理过程：缺血后能量代谢障碍，ATP生物合成急速减少，引起细胞内外钠钾失衡，细胞外Ca2+内流，兴奋性氨基酸过度释放；大量氧自由基生成引起一系列连锁反应，细胞发生坏死或凋亡；胶质细胞活化，吞噬大量坏死细胞的同时产生多种炎症因子，细胞膜结构破坏，加重血脑屏障损伤；随后，线粒体凋亡途径被激活，导致损伤区神经细胞大量死亡。因此，缺血性脑损伤的发生是多种细胞因子参与的级联反应[2]，各个因素之间相互联系、互为因果，致使大量神经元损伤。目前，常用于治疗缺血性脑损伤的药物有神经保护剂、溶栓剂、血管扩张剂等，但治疗效果均不理想。20世纪90年代，Reynolds等[3]在胎鼠和成年鼠脑组织中成功分离出NSCs，此后，研究者们开始尝试通过移植NSCs来补充和代替脑缺血时死亡的神经细胞，为治疗缺血性脑损伤开辟了一条新思路。

2 NSCs概述

NSCs是一类具有强大分裂潜能和自我更新能力的细胞群，且具有独特的生物学特性：(1)分化性。NSCs能分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞。(2)迁移性。NSCs能够沿神经纤维迁移至损伤或疾病部位，并产生新的神经细胞。(3)低免疫原性。NSCs是未分化的原始细胞，不表达成熟细胞抗原，移植后不会被宿主细胞识别，免疫排斥反应较轻。因此，NSCs被公认为是修复中枢神经系统损伤的理想种子细胞[4]。目前，NSCs移植的方法主要有三种[5-6]：⑴脑室移植。将细胞注入损伤同侧或对侧侧脑室，移植的NSCs可以促进神经生长因子的分泌，效果最好。⑵脑实质移植。通过单个或多个位点将NSCs直接注入缺血侧或对侧脑实质，神经细胞增殖数量最多。⑶静脉移植。目前仅用于动物实验，通过股静脉或尾静脉注射，NSCs随血流达到脑缺血损伤区，可避免立体定向手术，创伤最小。

3 NSCs移植保护缺血性脑损伤的作用机制

NSCs独特的生物学特性为缺血性脑损伤的治疗提供了可能，目前NSCs修复神经损伤、重建神经功能主要通过两种途径。一是内源性途径，缺血性脑损伤可激活内源性NSCs，缺血半暗带原生血管提供支架，引导NSCs迁移至损伤区，NSCs增殖分化为神经元和神经胶质细胞，进行自我修复；二是外源性途径，移植外源性NSCs到缺血损伤区。研究者认为，NSCs移植修复缺血性脑损伤的可能机制包括[7]：（1）通过建立突触连接，重新构建神经网络；（2）释放递质和分泌多种神经营养因子，从而刺激神经形成，提高神经元的存活率，诱导血管再生；（3）免疫调节减轻缺血性脑损伤的炎症反应；（4）还有相关报道认为，可能通过减少细胞凋亡来降低损伤。

3.1 NSCs促进突触重建 突触素是突触重建的关键因素，是一种存在于神经元轴突终末的膜蛋白，与突触的功能和结构有密切联系，能调节谷氨酸的释放，从而促使突触重建。当突触素基因敲除后，神经元细胞器减少，突触后膜退变萎缩，轴突严重破坏，但突触素上调后，突触数目增加，神经传导逐渐恢复[8]。研究发现，移植GDNF基因修饰的NSCs能明显上调脑缺血大鼠突触素的表达，从而有利于突触的改建和重塑[9]。Hiu等[10]发现，经NSCs移植治疗后，脑缺血大鼠谷氨酸受体A2和谷氨酸转运蛋白1的水平明显升高，从而能加快突触的信号传导。研究显示，NSCs移植治疗后，Sinapsin-1、MAP-2、GAP-43等突触重塑相关指示因子表达升高，突触形成增加[11]。富奇志等[12]发现，血管内皮祖细胞与NSCs共移植后可以提高缺血半暗区Cx43缝隙连接蛋白及突触蛋白的表达，增加缝隙连接数目，加快突触重塑和神经网络重建。综上，移植的NSCs可通过建立突触连接与宿主神经细胞发生整合，这可能是NSCs移植促进脑缺血缺血损伤恢复的机制之一。

3.2 NSCs分泌神经营养因子 神经发生和血管发生是促进缺血性脑损伤恢复的重要病理生理学过程，Taguchi等[13]首次发现神经生成与血管再生在修复缺血性脑损伤中有协同作用。已有研究证实，能起到辅助修复缺血性脑损伤的神经营养因子有30多种[14-15]，如表皮生长因子（EGF）、碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）、睫状神经生长因子（CNTF）、脑源性神经生长因子（BDNF）、神经胶质细胞源性神经生长因子（GDNF）、胰岛素样生长因子(IGF)、血管内皮生长因子（VEGF）等，这些神经营养因子能在NSCs移植早期发挥积极的神经营养支持作用，促进神经发生，诱导突触重塑，并且与血管生成密不可分。

3.2.1 NSCs通过神经营养因子促进神经再生：神经营养因子有助于神经突触发育，减少神经细胞凋亡。有研究报道，不论是内源性还是外源性NSCs，都能分泌神经营养因子，外源性NSCs分泌神经营养因子促进损伤区神经修复，同时能促进内源性NSCs增殖，改善受损区微环境，增强NSCs修复损伤脑组织的能力[16]。还有研究证实，以BDNF为代表的多种神经营养因子在NSCs移植后表达持续升高，且损伤区神经元的存活率明显提高[17]。在众多神经营养因子中，神经生长因子(nerve growth factors，NGF）是最有活力的生长因子之一，与缺血性脑损伤后神经再生和修复密切相关，它能通过拮抗兴奋性氨基酸毒性，减少氧自由基释放，稳定细胞内Ca2+的浓度，促进神经轴突生长，发挥神经保护作用[18]。还有研究显示，与对照组相比，携带有神经营养因子的NSCs移植组大鼠，脑梗死面积和神经元凋亡数目明显减少[19]，这一研究结果也证明了上述观点。

3.2.2 NSCs通过神经营养因子促进血管再生：血管再生是原生血管内皮细胞增殖、分裂、游走、芽生而形成新的毛细血管，能够改善脑组织的血液供应和促进NSCs的分化和成熟，给神经网络的重塑创造良好微环境；同时，移植的NSCs也能够诱导血管新生，有助于血流和血脑屏障的恢复[20]。缺血性脑损伤发生后，移植的NSCs能分泌并诱导宿主细胞分泌多种促血管生成因子，如GDNF、VEGF、IGF等。其中VEGF是最重要的促血管生成因子，它通过与特异性受体结合，增加微血管密度，促进新生血管生成，营养和保护缺血缺氧条件下的神经细胞，修复受损脑的组织[21]。最近的研究表明[22]，NSCs分泌的VEGF通过激活星形胶质细胞中的PI3K/Akt信号通路，上调谷氨酸转运蛋白1的表达，降低细胞外谷氨酸的浓度，有助于缺血性损伤后的突触重塑。Pavlich等[23]将转染VEGF基因的NSCs移植到大鼠纹状体缺血区，发现移植区血管内皮细胞数量显著增加，毛细血管结构相对完整。总之，外源性NSCs能通过分泌神经营养因子有助于血管再生，从而促使缺血性脑损伤的恢复。

3.3 NSCs减轻炎性反应 缺血性脑损伤能激活炎性细胞合成释放多种炎症介质，如IL-1、IL-6、IL-10、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、黏附分子、选择素等，这些炎症介质反过来进一步刺激炎症细胞，形成恶性循环，加重神经和血管的损伤。研究发现，NSCs可减轻抗原诱导的免疫排斥反应，抑制炎症发生[24]。还有研究发现，NSCs移植能降低小胶质细胞及星形胶质细胞等炎性细胞的活化，通过上调TIMP-1水平，下调L-选择素、瘦素、TNF-α、MCP-1从而调节炎症反应[25]。另外，还有研究显示NSCs移植能够降低炎症趋化因子CXCL1、CXCL2和其受体CXCR2的表达，并能显著抑制炎症介质IL-1β、IL-6、TNF-α及细胞黏附分子的表达，同时还可以促进血脑屏障的重建[26-28]。NSCs移植抗炎机制由多种免疫细胞及炎性因子调控，但涉及的炎症信息转导通路尚不完全清楚，还需更深入地探索。

3.4 NSCs抑制细胞凋亡 缺血性脑损伤发生后，受复杂的凋亡调控系统作用，细胞色素C（cyt-c）自线粒体释放入胞浆，通过激活Caspase基因诱导细胞凋亡。Caspase-3是多种死亡受体介导凋亡途径的共同下游效应部分，是凋亡程序中最重要的蛋白酶。实验研究表明，胶质细胞源性神经营养因子基因修饰的NSCs移植能通过降低Caspase-3的表达，减少缺血损伤区神经元凋亡；同时有研究发现，脂肪组织来源的NSCs保护缺血性脑损伤也与下调Caspase蛋白的表达有关[29-30]。Bcl-2/Bax是细胞凋亡调控的另一对基因，Bcl-2是重要的抗细胞凋亡基因，通过控制细胞内Ca2+的释放，抑制氧自由基的产生，阻止促细胞凋亡基因的信号传递；而Bax是强有力的促细胞凋亡基因，Bax能够与Bcl-2形成同源或异源二聚，从而阻断Bcl-2对细胞凋亡的抑制作用。有研究显示[31-32]，骨髓基质细胞来源和人脂肪组织来源的NSCs移植治疗缺血性脑损伤，可能是通过上调Bcl-2、下调Bax蛋白表达来减少神经细胞凋亡。还有研究发现，移植NSCs治疗能够显著降低神经细胞凋亡数量，抑制半暗带区细胞凋亡，改善缺血性脑损伤时神经功能的缺失[33-34]。综上，NSCs移植可通过调控凋亡基因，减少神经细胞凋亡，从而减轻缺血性脑损伤。

4 结语

NSCs移植为缺血性脑损伤神经功能的恢复提供了全新的治疗模式，移植的NSCs能通过促进突触重塑、分泌生长因子、减轻炎性反应、抑制细胞凋亡等发挥神经保护作用。但NSCs移植疗法面临着各种挑战，首先，移植的NSCs在体内成活率尚不明确，定向增殖分化机制尚未完全清楚；其次，NSCs移植异体免疫排斥反应及抗炎调节作用机制错综复杂，是研究者们需要继续深入探讨的课题。相信随着对NSCs移植治疗缺血性脑损伤作用机制的进一步认识，NSCs移植疗法在临床上将会有十分可观的应用前景，为治疗神经系统疾患带来新希望。