HUCMSCs 在脊髓损伤细胞移植应用中的研究进展

潘志鹏 李思成 汤 龙 姚黎清

昆明医科大学第二附属医院康复医学部，云南昆明 650101

脊髓损伤（spinal cord injury，SCI）是一种高致残率和高死亡率的神经系统疾病，直接或间接暴力损伤是发生SCI 的首要原因。据估计，全球每年25 万～50 万人罹患SCI，在我国SCI 患者中，男性高于女性，其中大部分是40～50 岁的重体力劳动者[1]。近几十年来，随着交通工具的快速发展，SCI 的发病率维持高位并且呈现持续增高的趋势[2]。随着时间的推移，SCI 常导致神经功能障碍、褥疮、肺炎等多种并发症，不仅给患者带来身心伤害，也给家庭和社会带来经济负担。当前对SCI 的治疗早期主要采取手术减压和药物抗炎、镇痛为主，后期以康复训练和日常护理为主要措施[3-4]。然而，在SCI 治疗的大样本临床随机对照试验中，这些方法存在着无法克服的缺点[5-6]。因此，寻找到治疗SCI 安全、有效的措施，对改善患者生存质量、家庭及社会经济负担具有显著意义，这也是当前神经病学、康复医学研究的重点之一。人脐带间充质干细胞（human umbilical cord mesenchymal stem cells，HUCMSCs）移植作为一种新型的生物疗法，为SCI 的治疗指引了新思路和新方向。研究显示，HUCMSCs 能对神经组织产生修复和再生的作用[7]。有研究表明，HUCMSCs 能在SCI 的继发性损伤期，通过激活神经胶质细胞和调节炎症因子来发挥修复、镇痛及促进功能恢复的作用[8]。且有研究表明，HUCMSCs 外泌体能在脊髓损伤区域通过减少炎症因子的分泌来控制炎症，帮助损伤脊髓的修复[9]。此外，HUCMSCs 可联合高分子生物材料通过NUR77/NF-κB 信号通路减少促炎性细胞因子的产生来减轻神经炎症，改善SCI 的预后[10]。总而言之，大量的研究证实HUCMSCs 与SCI 的治疗与修复有着密切关系，本文将围绕HUCMSCs 在SCI 应用中的最新研究进展，系统地总结HUCMSCs 的特性及其在SCI 中潜在的神经修复机制和应用。

1 HUCMSCs

1.1 概论

HUCMSCs 是一种来源于胎儿遗弃脐带的具备多分化及自我更新能力的全能干细胞。在适宜的环境刺激下，其能在体外大量增殖并分化为神经元、星型胶质细胞和少突胶质细胞，并且分泌神经营养因子[11-14]。HUCMSCs 具有很强的迁徙和移植能力，还具备容易获得和伦理争议较少的优势。这些优势使得HUCMSCs具有广阔的应用前景。

1.2 特性

目前，HUCMSCs 被用于修复肝脏、胰岛、脑神经、肌肉、脊髓神经等组织，主要是因为其拥有以下特性[15]。①诱导分化：HUCMSCs 可以通过特定的诱导，分化成脂肪细胞、成骨细胞及神经元细胞[16]。②旁分泌机制：HUCMSCs 可以通过旁分泌途径分泌组织或细胞修复所需的各种生长因子及细胞因子，例如血管内皮生长因子[17]、脑源性神经营养因子[18]和角质形成细胞生长因子[19]。③归巢特性：在SCI 部位表达的趋化因子的刺激下，HUCMSCs 会优先迁移到炎症部位，其中大部分迁移至胶质瘢痕周围，少量停滞在损伤处的头端和尾端[20]。④免疫调节：HUCMSCs 自身细胞比较稚嫩，尚未发展出成熟的免疫系统，存在免疫排斥的现象较少。干细胞可以通过免疫反应迁延到炎症部位，促进M2巨噬细胞的激活并且下调炎症因子的表达发挥免疫抑制和抗炎作用，将损伤处的炎症反应阶段调整为免疫反应阶段[21-22]。⑤基因转染：HUCMSCs 可能通过转染微RNA 来调节靶向基因，进而发挥抗炎、保护和修复受损组织的作用[23-24]。

2 HUCMSCs 治疗SCI

目前在SCI 的治疗中，相对于停留在生理功能层面的传统方法，HUCMSCs 移植不仅涉及生理层面，还涉及到该病的病理生理层面。迄今为止，HUCMSCs 移植治疗SCI 的机制尚未完全阐明，而最为研究者们认可的HUCMSCs 修复特性的可能机制是分泌神经营养因子、提供新生神经元、重塑脊髓功能和再髓鞘化。

2.1 提供神经营养因子

损伤的脊髓在慢性期恢复较慢的主要原因是缺乏足够的神经营养因子和神经生长因子[25]。Chudickova 等[26]对HUCMSCs 的外泌体进行了蛋白质组学分析，结果显示其外泌体中含有大量的肝细胞生长因子和少量的神经生长因子，如脑源性神经营养因子、脑源性神经生长因子、角质形成细胞生长因子等，这些因子保护神经并促进了受损脊髓的修复。Hu 等[27]的体内研究首次证实，HUCMSCs 可在SCI 大鼠模型中分泌大量胶质神经营养因子和神经营养因子-3，且不会产生免疫排斥反应。HUCMSCs 移植可通过旁分泌和自身分泌机制产生神经营养因子和神经生长因子等治疗SCI。这些细胞因子促进血管生成、调节炎症反应，并为轴突再生提供了合适的微环境，是轴突和神经元再生的前提。

2.2 新生神经元

目前，关于HUCMSCs 向神经细胞转化的情况存在争议。Yang 等[28]证实了未经处理的HUCMSCs 不能转化为神经元。Zhao 等[29]的研究显示，HUCMSCs 在体内至少能存活5 周，并可分化为神经元、少突胶质细胞和星型胶质细胞。Yan-Wu 等[30]的研究将HUCMSCs在体外诱导分化为与施万细胞在形态、表型和功能上具有高度相似性的神经干细胞，并移植入SCI 大鼠模型，显示出部分治疗效果。最近，Yao 等[31]的研究报道了HUCMSCs 移植在SCI 治疗中可显著上调新生神经元标记蛋白NeuN 和β-Ⅲ微管蛋白的表达。综上所述，HUCMSCs 可在一定的诱导分化条件下，分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞，发挥和促进内源性干细胞替代和提供新的神经元的作用，进而形成新的突触联系。

2.3 再髓鞘化

在SCI 的病理发展过程中，损伤周围区域残存的轴突和白质会发生缓慢的进行性脱髓鞘改变[32]。Bao 等[33]的研究显示，HUCMSCs 不仅可以支持周围神经系统的轴突再生，还能促进受损中枢系统的轴突再生和髓鞘的重建。Liao 等[34]的研究结果显示，HUCMSCs通过增加髓鞘碱性蛋白和髓磷脂酶，减少神经元、少突胶质细胞的凋亡来抑制脱髓鞘改变。最近的研究显示，HUCMSCs 可能促进了白质区域的再髓鞘化、轴突再生或保护了有髓神经纤维的存活[35]。综上，HUCMSCs 的潜在机制是抑制脱髓鞘改变并使脱髓鞘的轴索再髓鞘化，恢复有髓神经的信号传导通路。

2.4 功能重塑

Yao 等[36]通过分级排列的纤维蛋白水凝胶模拟了神经组织的柔软和定向特性，类似于神经元中继站，为HUCMSCs 提供了生物-物理线索，指引干细胞纵向快速迁移、神经源性分化，加快轴突侧枝的生长。该研究还发现，HUCMSCs 在高分子材料的刺激下，可以触发自身和内源性神经干细胞侵袭、对齐和神经分化，在体内外均形成对齐的细胞索。这些细胞索的形成，可以引导轴突的生长并桥接神经残端的近端和远端，重建神经元间的突触连接，通过间隙传递神经元信号并促进功能恢复。总之，HUCMSCs 结合生物材料支架技术引导轴突发芽至靶点，连接SCI 两个断端，形成功能性突触，重新搭建神经信号传导通路，这正是中枢神经系统功能重塑的方式。

3 HUCMSCs 治疗SCI 的影响因素

在细胞移植过程中，影响HUCMSCs 在受损部位存活率的重要因素有移植细胞类型、途径和移植的最佳时间窗等。尽管有大量研究评估了干细胞在受损部位的存活率，但迄今为止仍然存在争议。

3.1 移植细胞途径

目前，针对HUCMSCs 移植的途径，许多文献提出了不同观点，主要包括局部、腰椎穿刺、静脉途径。虽然大量的研究显示这3 种途径均可改善SCI 后的功能恢复，但尚不确定何种途径最优、最适用于临床应用[16]。Vaquero 等[37]比较了局部途径与静脉途径移植干细胞治疗SCI，结果显示局部途径在移植效率和功能恢复方面表现较好。Li 等[38]的研究显示，在SCI 的急性期采用股静脉途径移植HUCMSCs，HUCMSCs 改善了损伤区域的微环境，减少了SCI 的继发性损伤并增加了神经营养因子的表达。但静脉输注具有局限性，据报道，在肺部肿瘤中有HUCMSCs 向骨细胞分化[39]，尽管并未在动物模型中发现这样的情况，但并不能排除可能性[40]。近来，Yang 等[41]研究通过腰椎穿刺途径向鞘内注射HUCMSCs 治疗亚急性SCI，结果显示神经元发生再生，为该方法的安全性和高效性提供了有力证据。局部途径是通过打开椎板暴露脊髓，在局部损伤区域的头端和尾端分别注射微量干细胞。这种方法能提高干细胞迁徒至损伤区的存活数目，但也会对脊髓造成二次损伤，破坏局部微环境，不利于干细胞的存活，导致疗效降低。而腰椎穿刺途径和静脉途径与局部途径比较，有更易操作、创伤小等优点，弥补了局部途径的不足，但也存在干细胞迁延至损伤区域存活数目较少的问题。现今哪种移植途径更有利于干细胞在损伤区的存活和临床应用，有待进一步的实验验证，这也是目前亟待解决的问题。

3.2 移植的最佳时期

关于移植的最佳时期临床尚存争议，不同的研究者采取的策略也有所不同。一种观点认为应在继发性损伤期之后移植干细胞，可避免HUCMSCs 对损伤脊髓局部的微环境产生干扰。Okano 等[42]的动物实验研究显示，神经干细胞移植治疗的最佳时机是损伤后1～2 周。此外，Chen 等[43]的研究显示，在SCI 的早期（1～2 周）移植HUCMSCs 没有显著的效果，研究者认为这可能与SCI 的继发性损伤有关。另外一种观点认为应在继发性损伤期内，通过改变损伤局部的微环境而发挥修复作用。这种理论的依据是，防止脊髓神经元继发性损伤的进展是限制组织损伤和改善SCI 预后的最有效治疗策略之一[39]。Li 等[38]的研究显示，在SCI 的急性期，采用股静脉移植途径移植HUCMSCs 的效果较好。而Hu 等[27]的研究显示，在发生SCI 后的24 h通过局部途径于头端、尾端进行HUCMSCs 移植是成功的治疗策略，但需要考虑慢性期SCI 带来的干细胞排斥的问题。Liu 等[44]的临床研究显示，患者在SCI 慢性期内接受干细胞移植治疗仍有一定的效果，认为移植的最佳时间不应限制在损伤后两周内。因此，移植的最佳时间不应限制在具体范围内，而是应根据实际情况和具体事项，采取相应的治疗措施和时间窗。

4 总结与展望

本文总结了HUCMSCs 的生物特性及其治疗机制，这些机制最终通过生物信号途径促进脊髓功能修复。总而言之，目前越来越多的研究数据表明，HUCMSCs治疗SCI 是一种很有前途的治疗策略。HUCMSCs 治疗SCI 的修复效果得到了广泛认可。但是，该治疗的分子机制尚未完全掌握，调控分化技术尚未成熟。另外，HUCMSCs 移植到动物或人体内有无免疫排斥及其是否具有成熟神经元的全部特征尚不能确定。针对HUCMSCs 治疗SCI 的最佳途径和时间点的选择尚未形成一致的专家共识，需进一步证实。

无论如何，应用HUCMSCs 治疗SCI 在神经科学中具有开创性的意义。随着研究者们对HUCMSCs 制备、扩增和移植等方面的进一步认识与了解，掌握了HUCMSCs 的种种性质，为临床治疗提供了依据。HUCMSCs 在SCI 中有着巨大的临床价值，探索HUCMSCs结合生物材料支架、外泌体、神经细胞、生长因子和药物等组合策略治疗SCI 是未来的研究热点和方向。