干细胞治疗脊髓损伤的作用机制及研究进展

脊髓损伤（SCI）是世界上最严重的神经系统疾病之一。由于高致残率，SCI给社会带来了沉重的经济负担。

据悉，SCI在年轻人群中的发病率较高，但近年来在老年人群中的发病率也呈现出逐渐上升的趋势。尽管针对SCI的研究已经开展了几十年，但幸存下来的这种疾病患者将不可避免地留下长期和严重的神经损伤。根据以往的研究，创伤性SCI的危险因素很多，包括暴力、极限运动和酒后驾驶。研究报告称，超过23%的SCI患者在10年内发生过继发性损伤。酗酒、精神药物的使用以及一些人格特质都与继发性损伤的发生有关。

SCI的病理机制可分为原发性损伤和继发性损伤两个过程。当脊髓因外力受到挫伤、撕裂或压迫，或因血管损伤而梗塞时，脊髓开始出现神经损伤，通常称为原发性损伤。原发性损伤发生后，大量神经细胞死亡，血脊髓屏障被破坏。随后，发生血管痉挛性出血、活性氧（ROS）形成、脂质过氧化、炎症和细胞凋亡等一系列损伤反应，导致继发级联反应进一步加重损伤。

目前治疗SCI的主要方法有手术治疗、药物治疗、高压氧治疗、物理治疗等。然而，SCI患者的治疗效果和结果仍不能令人满意。这就要求我们研究新的有效的脊髓损伤治疗方法。近年来，干细胞（SC）治疗SCI逐渐成为新的研究热点。

SCs是指在特定条件下具有增殖和自我更新能力并分化成许多其他功能细胞的细胞。近年来，针对各种神经系统疾病的SC疗法也得到了发展，例如脑出血 (ICH)、缺血性中风、外伤性脑损伤 (TBI) 和蛛网膜下腔出血 (SAH)。目前，越来越多的动物实验和临床试验表明，使用SCs治疗SCI可以发挥有益的治疗作用。SC疗法在挽救受损组织和促进神经功能恢复方面具有巨大潜力。MSCs、HSCs、NSCs、iPSCs和ESCs是用于治疗SCI的最常见的SCs类型。

胚胎干细胞：无论在体外还是在体内，胚胎干细胞都可以被诱导分化为几乎所有类型的细胞，包括神经元和神经胶质细胞，使其成为治疗中枢神经系统（CNS）疾病最有希望的干细胞之一。ESCs可以通过全反式维甲酸诱导表达神经元特异性抗原，其中一些可能具有神经胶质特异性抗原，而一些神经元样细胞甚至可能具有乙酰胆碱酯酶或谷氨酸脱羧酶活性。

近年来，关于利用ESC分化为神经元和胶质细胞治疗SCI的报道很多。曼利等人将人胚胎细胞来源的少突胶质祖细胞注射到SCI裸鼠的损伤部位，发现祖细胞可以迁移到脊髓和脑干，从而减少损伤部位的实质腔，促进轴突的存活，提高裸鼠运动功能，不引起疼痛、毒性、肿瘤等不良反应。

间充质干细胞：临床上最常用的间充质干细胞是骨髓间充质干细胞（BM-MSCs）、人脐带间充质干细胞（HUC-MSCs）和脂肪来源间充质干细胞（AD-MSCs）。

据报道，BM-MSCs对包括中风在内的多种疾病具有治疗作用。研究人员已经证明，移植的BM-MSC可以通过血脑屏障 (BBB) 而不会破坏其结构。移植后，BM-MSCs可以迁移到损伤区域并分化为神经元或神经元样细胞，从而通过分泌各种神经营养因子发挥神经保护作用。许多研究表明，BM-MSC移植可以减轻SCI大鼠的神经功能缺损，促进其神经功能的恢复。

HUC-MSCs也被用于治疗动物和患者的SCI。尤瑟法德等人表明HUC-MSC移植可以缓解神经性疼痛症状，促进脊髓损伤后运动功能的恢复；他们还提出，HUC-MSC移植后大鼠存活率和电生理监测结果明显优于BM-MSC移植。

在临床上，赵等人将含有HUC-MSCs的神经再生支架植入慢性 SCI 患者的损伤部位，发现该措施能够促进损伤神经元的再生，改善完全SCI后的感觉和运动功能，安全性更好。

造血干细胞：近年来，越来越多的研究开始关注HSCs在SCI治疗中的应用。熊等人将HSCs注射到SCI大鼠模型中，发现HSCs可以促进脊髓中5-HT阳性纤维和少突胶质细胞的形成，抑制星形胶质细胞增生，上调neurotrophins-3（NT-3）介导的MEK-1表达，从而促进大鼠的神经功能恢复。

Al-Zoubi等人将CD34和CD133阳性SCs直接移植到19例胸部SCI 患者的受伤区域。经过5年的随访，评估了SC治疗的安全性和有效性。7例患者节段性感觉改善，2例运动功能改善，所有患者均未发生不良反应。

神经干细胞：大量研究表明，NSC移植可以促进SCI后神经功能的恢复。内源性神经干细胞通常是沉默的；然而，它们可以在各种病理条件下被激活并迁移到损伤部位以促进神经修复。

iPSC：使用iPSC治疗SCI仍处于实验阶段。卢等人将86岁健康男性的iPSCs移植到SCI后的免疫缺陷大鼠体内，发现iPSCs存活并分化为神经元和神经胶质细胞，并从损伤部位延伸出数万个轴突，几乎覆盖了整个大鼠的中枢神经系统。

用于治疗SCI的常见SC类型如图1所示。

图1：用于治疗脊髓损伤 (SCI) 的常见干细胞 (SC) 类型：包括胚胎干细胞 (ESCs)、间充质干细胞 (MSCs)、造血干细胞 (HSCs)、神经干细胞 (NSCs)、诱导多能干细胞干细胞（iPSCs）、牙髓干细胞（DPSCs）和嗅鞘细胞（OECs）。MSCs 由骨髓间充质干细胞 (BM-MSCs)、人脐带间充质干细胞 (HUC-MSCs) 和脂肪来源的间充质干细胞 (AD-MSCs) 组成。

SC移植有两种主要模式：体内和体外诱导。前者是将合适的SCs直接移植到体内，体内环境和特定的信号分子将这些SCs引导到所需的成熟细胞中发挥必要的功能；后者是对某种SC进行分离、培养、纯化、扩增，并在体外诱导其分化为具有所需功能的细胞，并将这些成熟细胞移植到人体中进行治疗。两种技术的适当组合可能对患者产生最佳效果。

在各种SCI模型中移植SCs的途径有很多，包括静脉内、经动脉、鼻腔、腹膜内、鞘内和髓内注射。结论是，SC给药的各种途径对于治疗SCI是可行的。

组织修复和更换：易位的SCs在内部环境和各种神经生长因子的刺激下可以分化为神经元和神经胶质细胞，从而启动SCI修复和替换的过程。

神经营养和再生作用：神经再生和神经营养已被确定为SCI修复过程中的重要因素，也是SCI治疗的重要研究方向。

促进血管生成：神经功能的恢复不仅取决于神经细胞的再生，还取决于周围微环境的支持，包括血管和细胞外基质，即有助于组织修复的新血管的形成。血管再生常发生在包括SCI在内的神经损伤性疾病中，是一个有价值的治疗研究方向。

抗凋亡作用：细胞凋亡几乎涉及包括SCI在内的所有神经系统疾病，也与神经功能的恢复密切相关。

抗炎作用：SC移植治疗SCI的另一个重要机制是抗炎作用 。

干细胞治疗脊髓损伤的机理见图2

SC治疗SCI的安全性和可靠性不容忽视。一些研究报道，过多的 SCs或过高的输注速度可能会导致血栓形成或栓塞，从而导致血管闭塞。其他研究表明移植的SCs会引起一定程度的免疫排斥反应，因此建议同时进行免疫抑制治疗。SC移植最严重的副作用是致瘤性和不稳定性。

此外，SC移植可引起其他副作用，如感染、高烧甚至死亡。因此，在使用SCs治疗SCI之前，应仔细评估与SC治疗相关的安全问题。减少SC治疗的副作用可能比提高其疗效更重要。

许多不同类型的用于治疗SCI的SCs已用于各种临床试验，其主要目标是治疗最新的神经相关疾病和损伤。目前，SC移植治疗SCI的临床试验大多集中在I-II期。

拉等人研究了人AD-MSCs的毒性和致瘤性。8名SCI超过12个月的男性患者接受了自体AD-MSCs的静脉注射4×10^8细胞。在3个月的随访期间，所有患者均未发生与移植相关的严重不良事件。

柯蒂斯等人进行了人类脊髓源性NSC移植治疗慢性SCI的I期临床试验。在这项试验中，4名T2-T12SCI患者接受了包括椎板切除术、椎板切除术和硬脑膜切口在内的治疗，随后中线双侧立体定向注射 SCs6次。所有受试者在移植后18-27个月均未出现严重不良事件。脊髓损伤神经学分类国际标准 (ISCNCCI) 评分显示一个或两个脊髓节段的神经功能有所改善。

Mendonca 等人进行的I期非随机对照临床试验。招募了14名慢性创伤性SCI患者（超过6个月），他们在椎板切除和硬脑膜切开后接受了自体BM-MSCs注入病灶。在治疗前后评估基线体感诱发电位 (SSEP)、磁共振成像 (MRI) 和尿动力学。使用McGill疼痛问卷 (MPQ) 和视觉模拟量表 (VAS) 进行疼痛评分。结果表明，自体BM-MSC移植在慢性完全性SCI患者中是安全可行的，可能有助于改善神经功能。

申等人在I/IIA期非随机对照临床试验中评估了人类NSC移植治疗外伤性颈椎SCI的安全性和有效性。在接受移植的19名患者中，没有脊髓空洞症或肿瘤形成、神经功能恶化和神经性疼痛或痉挛的证据。其中8名患者的美国脊髓损伤协会损伤量表 (AIS) 有所改善，而对照组只有1名。

Ghobrial等人通过12个月的临床随访证明，髓内注射人NSCs治疗慢性颈椎SCI具有较好的安全性。随访结束时，5名患者的力量、敏感性和抓握力分级重新定义评估 (GRASSP) 评分和ISNCSCI评分均有不同程度的改善。

此外，还有许多临床试验尚未启动，要么正在进行，要么因不同原因（资金不足、患者纳入不足、业务决策等）而终止或撤销。需要指出的是，不同的临床试验在患者数量、SCI部位、类型、严重程度和分期、随访时间、SC类型、给药方式、剂量等方面存在较大差异。很难相互比较得出一个肯定的结论。目前还缺乏长期、大规模、多中心、标准化的随机对照临床试验结果。因此，需要进一步的临床试验来探索SC治疗的临床疗效。

SCI申请SC的流程如图3所示。

总之，干细胞治疗是一种有前途的脊髓损伤治疗策略。然而，在应用SC治疗之前，仍有许多问题需要考虑，如伦理问题、治疗效果、不良反应、并发症、免疫排斥反应、细胞纯化、致瘤性等。这些缺点带来了巨大的治疗安全隐患。详细的治疗策略和机制尚不清楚，如何控制SC移植过程的副作用也是一个挑战，需要进一步探索。此外，由于缺乏大规模的临床研究，大多数研究都是在动物模型中进行的，在应用于临床实践之前，SCI的SC治疗需要更多的动物实验来评估，然后需要大规模和多中心的临床试验。相信随着干细胞技术的不断发展，干细胞疗法必将在脊髓损伤的临床治疗上取得重大突破。

参考文献：

Liansheng Gao, Yucong Peng, Weilin Xu, Pingyou He, Tao Li, Xiaoyang Lu, Gao Chen, "Progress in Stem Cell Therapy for Spinal Cord Injury", Stem Cells International, vol. 2020, Article ID 2853650, 16 pages, 2020.https://doi.org/10.1155/2020/2853650.

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