间充质干细胞在周围神经损伤修复中的研究进展

李德东 孙健 于明懂 李波 卢悦淳

天津医科大学第二医院麻醉科300211

0 引 言

周围神经损伤（peripheral nerve injury，PNI）是一种常见的神经系统并发症，是由于各种因素造成的神经支配区域出现感觉、运动及功能障碍。目前，虽然对PNI 有了较好的治疗手段和护理措施，但在治疗和护理后，绝大多数患者的功能障碍仍然难以完全恢复[1]。引发PNI 的原因很多，以切割性损伤、压迫性损伤、炎症因子长期刺激和缺血损伤为主[2]。当PNI 发生时，受累的神经纤维无法准确支配效应器官，因此远端器官因失神经支配而失去功能。与中枢神经系统损伤不同，周围神经轴突在损伤后可再生，但时间较长，损伤轻尚可恢复，损伤重则可能永久丧失生理功能，只能用其他辅助手段进行修复[3]。目前，临床上治疗PNI 的方法以显微外科手术、自体神经移植及组织工程修复为主[4]。当神经缺损＜2.5 cm 时，通常以显微外科手术进行修复，但术中一般难以对受损的神经断端准确对位，并容易对神经牵拉造成二次损伤，其治疗效果并不令人满意。自体神经移植不但容易造成自身供体缺血、坏死、丧失神经功能，还会增大受体部位发生神经瘤的风险。异体神经移植则易发生免疫排斥反应，成功率低。人造神经导管组织工程只能修复＜1 cm 的神经缺损，且神经功能恢复时间长、效果差[3-4]。由于手术治疗容易造成神经再次损伤，很难达到预期效果，只能配合辅助手段进行治疗。随着干细胞在多种疾病治疗中的优势日益显现，其在神经系统疾病的治疗中越来越发挥重要的作用。因此，干细胞在神经损伤修复方面的研究也逐渐受到研究者的青睐[5]。

1 干细胞的特征

干细胞（stem cell，SC）是生物体中未分化的细胞，根据不同的环境和生理需求，其可无限地分化出同类型细胞和其他类型的细胞。SC 主要分为胚胎干细胞和成体干细胞，其中胚胎干细胞只能在胚胎期获得；而成体干细胞可在体内所有组织中获得[6]。根据其分化类型，SC 可分为单能干细胞、少能干细胞、多能干细胞、全能干细胞。单能干细胞只能分化为自身类型的细胞，如肌肉干细胞；少能干细胞可分化为几种细胞类型，如造血干细胞，在产生红细胞的同时还可产生白细胞和血小板；多能干细胞几乎可分化成所有类型的细胞，包括来自外胚层、中胚层和内胚层的细胞以及胚胎干细胞；全能干细胞是唯一一种能产生所有可能的细胞类型的细胞，如最初由受精卵和受精卵本身分裂产生的细胞[7]。研究结果表明，由于SC 的特殊性质，其可参与多种疾病的治疗及神经损伤的修复，具有重要的临床价值[8]。

2 干细胞在PNI 中的应用

由于SC 具有无限自我更新的特性，能无限分化成各种细胞，已经成为现代再生医学研究的核心[9]。就神经系统而言，SC 可在所处的环境和生长因子的刺激下分化为施旺细胞样细胞和神经元本身[10]。在PNI 修复过程中，可让SC 在体外进行分化，然后将分化好的SC 进行移植，也可将未分化的SC 直接移植，两者可达到相似的修复效果。理想SC 的选择取决于它的重要特征，即是否容易获得、能否在体外快速增殖、能否在宿主组织中长期存活和整合、是否容易转染和表达外源性基因以及是否具有低免疫原性特点[10-11]。目前，已对多种来源的SC 进行了研究，其中符合上述特点的间充质干细胞（mesenchymalstem cells，MSCs）受到研究者的青睐。MSCs 能以较快的速率自我更新，并具有多向分化潜能，能分泌神经营养因子促进组织再生，可在损伤神经修复方面发挥重要作用[12]。

3 间充质干细胞特性

MSCs 是一种具有多向分化潜能和快速增殖能力的成体干细胞，主要来源于骨髓、脐带血、脐带以及胎盘组织，被认为是再生医学中主要的移植细胞，已广泛用于组织器官损伤修复和延缓细胞衰老的研究[12-13]。MSCs 包括骨髓间充质干细胞（bone MSCs, BMSCs）、脂肪源性间充质干细胞（adiposederived MSCs，ADMSCs）、人脐带间充质干细胞（human umbilical cord MSCs,hUC-MSCs）。这些细胞的形态特征是外观有几个长的细胞突起，细胞质中含有线粒体、高尔基体、粗面内质网和核糖体的小细胞体。上述干细胞广泛分布在含有少量网状纤维的细胞外基质中。在神经组织损伤时，MSCs 可分泌多种生长因子和神经营养因子调节神经组织再生以及血管生成，促进突触连接以及受损轴突的髓鞘再生[14]。研究结果表明，MSCs 有分化为施旺细胞样细胞的能力。此外，有研究者直接将MSCs 移植到损伤的周围神经周围，与对照组相比，可见神经轴突快速增生，神经功能显著改善[15]。由此可见，MSCs 可直接作用于受损神经，促进损伤神经再生。通过检索国内外的最新研究进展，发现3 个来源的MSCs 在神经损伤修复过程中各有特点，且具体机制并不完全相同。下面对3 种MSCs 在PNI 修复方面的具体特点进行系统阐述。

3.1 BMSCs 在PNI 修复中的应用

BMSCs 是一种可分化为多种细胞类型，释放多种神经调节因子的多潜能基质细胞[17]。BMSCs 可分化为施旺细胞样细胞，或分泌神经营养因子调节施旺细胞的生理功能来促进神经轴突再生[15]。2001 年，Dezawa 等[18]首次将BMSCs 移植到坐骨神经断端周围，3 周后发现受损神经周围伴大量新生纤维，通过免疫电镜和共聚焦显微镜观察，发现BMSCs 对再生的神经纤维有髓鞘化作用，因此其认为BMSCs 可分化为神经元样细胞并分泌大量神经营养因子来诱导轴突生长。与此同时，BMSCs 也可直接转化为髓磷脂细胞对损伤神经进行修复，该结果受到研究者的广泛关注[19]。胡南等[20]用BMSCs 移植修复50 mm猴正中神经损伤，发现愈合过程与自体移植相似，功能和形态学良好。Cuevas 等[21-22]通过给坐骨神经损伤的大鼠模型移植BMSCs，发现与对照组相比，BMSCs 移植使大鼠的机械痛及热痛阈值明显改善。Wang 等[23]将BMSCs 与自体神经移植相结合，以弥补15 mm 的坐骨神经缺损，结果表明，移植后神经功能恢复加快。这些生理特性与BMSCs 的分化状态无关，因为研究者发现分化的BMSCs 与未分化的BMSCs 在临床试验中表现出相似的电生理和行为学效应[24]。与此同时，Haghighat 等[25]在用组织工程方法修复损伤神经过程中，比较带有BMSCs 的神经导管与单纯神经导管的移植效果，发现实验组中神经轴突的数量和直径显著增加，神经功能改善程度也显著优于对照组。在PNI 大鼠中使用BMSCs 移植可获得与自体神经移植相似的结果，可能与BMSCs释放大量神经因子有关[26]。虽然众多研究结果表明，BMSCs 在损伤神经的修复过程中起到了积极作用，但由于BMSCs 在获取过程中需要进行有创操作，且得到的细胞数量较少，且随着患者年龄的增长其增殖及分化能力随之减弱，限制了BMSCs 在临床中的研究和应用。

3.2 ADMSCs 在PNI 修复中的应用

ADMSCs 是一种能快速分化、易于获得、低免疫原性的多能干细胞[27]。与其他干细胞相比，ADMSCs可通过较轻的有创操作和非常简单的分离程序(洗涤、酶解、离心和去除红细胞)获得，且在培养过程中可见大量ADMSCs 附着在容器壁上，增殖迅速，易于识别与分离[24]。因ADMSCs 具有提取过程损伤轻、痛苦小、符合伦理学要求的特点，易被人们接受。此外，虽然ADMSCs 在体外可快速增殖，但目前尚未发现其有致瘤的危险，因此安全性高[28]。2011 年，Abdanipour 等[29]成功地将ADMSCs 在体外诱导分化为神经元样细胞，后移植到受损的神经周围，结果发现受损神经的功能显著改善。另有研究者发现，在大鼠脊髓损伤部位植入ADMSCs 可刺激神经组织再生，使大鼠的行为学显著改善。Di Summa 等[30]发现，ADMSCs 和BMSC s 均可修复大鼠损伤的坐骨神经，但ADMSCs 更易获取和增殖，是治疗PNI 的较好选择。Erba 等[31]将未分化的ADMSCs 移植到神经导管中，与对照组相比，移植细胞在损伤部位增殖明显，同时轴突快速生长，但尚未检测到任何神经胶质细胞和神经细胞的转化。Kingham 等[32]指出，ADMSCs 修复损伤神经的具体机制是促进生成血管生长因子和神经营养因子，为损伤神经再生提供更佳的微环境。其他研究者也得到了类似的结果[27]。也有研究结果表明，未分化的ADMSCs 可释放神经营养因子，但程度较低[33]。Oliveira 等[34]使用移植了ADMSCs 的神经导管修复损伤周围神经，与对照组相比，实验组髓鞘快速形成，神经功能显著改善。Widgerow等[35]使用胶原基质导管和含有ADMSCs 填充的胶原凝胶修复缺损的神经，所得到的改善程度与自体神经移植的结果相似。

3.3 UC-MSC 在PNI 修复中的应用

在排除伦理问题和其可获得性的限制后，有证据表明hUC-MSC 在各方面优于其他成体干细胞。第一，hUC-MSC 可在分娩后从可丢弃的组织中大量收集，而不会对捐赠者造成任何伤害；第二，由于hUC-MSC 常常于分娩后收集，基因遗传损伤的可能性很小；第三，hUC-MSC 更年轻、更有活力，所以可经历更多次细胞分裂，在培养中可更多地扩增；第四，即使hUC-MSC 缺乏HLA-II，但和其他成体干细胞相比，其仍有相对较低的免疫原性[36]。彭江等[37]发现，UC-MSCs 可分化为与施旺细胞具有相似的表型和功能的细胞，同时分泌多种细胞因子，如神经生长因子（nerve growth factor,NGF）、脑源性神经营养因子（brain derived neurotrophic factor,BDNF）和神经营养素3（neurotrophin-3，NT-3）；将UC-MSCs 移植在损伤的神经处，可明显加速神经细胞再生，且可代替施旺细胞修复受损的神经。Matsuse 等[36]也发现了类似的结果，表明UC-MSCs 可促进轴突再生。朱建强等[38]发现，尾静脉注射UC-MSCs 可明显改善被挤压双侧海绵体神经的功能，使大鼠勃起功能障碍明显改善，显微镜下可见损伤的神经轴突再生。同时，UC-MSCs 在组织工程修复方面也可发挥重要的作用。Cui 等[39]的研究结果表明，将UC-MSCs 与功能性胶原导管结合并移植于犬的坐骨神经切断部位，可得到很好的修复效果，能有效促进犬坐骨神经的再生和功能修复。

4 结语与展望

全球每年有数以百万计的患者因各种原因造成神经损伤，而神经细胞不可再生已经得到医学界公认。虽然PNI 发生后，部分损伤神经能自我再生修复，但其仅仅是在损伤程度较轻的情况下得以实现，多数患者长期伴随疼痛和功能障碍，严重影响生活质量。因此，寻求一种行之有效的治疗措施使PNI 患者的生存状态得以改善，甚至使损伤神经完全修复，恢复其正常生理功能，具有重要意义。MSCs以其特有的众多特点，特别是其在PNI 修复过程中的作用，受到了众多研究者和临床医生的关注。虽然，目前的研究多以动物模型为基础，且MSCs 的部分作用机制尚不明确，但并不能否认MSCs 在PNI修复中的优势。随着组织工程的快速发展，大量研究将MSCs 与神经导管和基因工程策略相融合，为MSCs 提供了有效的载体，可更大程度地发挥MSCs在促进损伤神经功能恢复方面的作用。该方法也被认为是PNI 组织工程的理想方案。

综上所述，尽管MSCs 在促进神经细胞再生方面取得了一些喜人成果，但部分具体机制尚不完全明确。随着相关研究的深入，MSCs 一定能在PNI 的治疗中发挥巨大作用，并为临床转化及应用奠定坚实的理论基础。

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