干细胞移植治疗神经退行性疾病：干细胞如何绕过血脑屏障并进入大脑？

血脑屏障 (BBB) 是由中枢神经系统 (CNS) 内皮细胞 (EC) 形成的选择性屏障，这些内皮细胞通过连续的紧密连接连接，从而限制分子在BBB上的运动。生理屏障受一系列物理、运输和代谢特性以及与不同血管、免疫和神经细胞的相互作用的调节。除了连接蛋白，BBB在分子水平上还包括粘附蛋白、转运蛋白、基底层和细胞外基质。BBB周围环绕着内皮细胞、周细胞、星形细胞足突、神经元、肥大细胞、小胶质细胞和循环免疫细胞。

血脑屏障插图

BBB的选择性屏障能力使其能够调节CNS稳态并保护CNS免受毒素、病原体、炎症、损伤和疾病的侵害。然而，血脑屏障的破坏或失调可能会导致通透性的变化，从而使病原体进入大脑或引起神经炎症，从而导致几种中枢神经系统相关疾病的进展，包括神经退行性疾病（如帕金森病和阿尔茨海默病）、脑血管疾病。例如，中风）和外伤性脑损伤。

一般而言，有两种途径允许分子在BBB上移动：首先，通过脂溶性自由扩散，其次，通过催化转运。通过广泛的研究，研究人员发现脂溶性和/或尺寸非常小的化合物，例如酒精和某些低分子量麻醉剂或激素（即低于400-500道尔顿），可以很容易地通过ECs通过跨细胞途径组成BBB。相反，特定的转运蛋白或受体对于促进各种其他较大的营养物质、离子和大分子的运动是必需的。

由于血脑屏障的限制特性，药物输送到大脑存在障碍。估计98%的脑部疾病潜在疗法无法穿透BBB。鉴于这些挑战，已努力制定调节和绕过BBB的策略，以便挽救生命的药物可以到达大脑中的特定目标，而不会干扰其他正在进行的活动。

了解BBB调节在治疗神经系统疾病中的机制至关重要，因为许多CNS疗法无法绕过BBB。使用干细胞绕过血脑屏障进行中枢神经系统相关疾病的治疗是很有希望的。虽然干细胞最常通过允许非全身归巢的直接移植进行递送，但它们通常会在注射部位造成损伤。相比之下，通过静脉内、肌肉内或鼻内施用干细胞不会造成伤害，但干细胞必须系统地归巢并绕过BBB。这篇综述文章进一步解释了干细胞绕过血脑屏障的归巢机制以及干细胞治疗在神经退行性疾病中的应用。

研究表明，MSCs能够通过细胞旁或跨细胞途径迁移穿过内皮细胞，随后优先返回大脑中的炎症或损伤部位以发挥其治疗作用。这已在使用MSC标记的荧光磁性纳米粒子的小鼠全身成像研究中得到证实。虽然内源性MSCs如何迁移和响应损伤的机制仍然知之甚少，但某些损伤如创伤性脑损伤、中风、脑肿瘤或衰老被认为会损害BBB保护的效率。这允许间充质干细胞通过形成短暂的内皮间隙通过细胞旁通路迁移穿过内皮细胞。据推测，在其中一些CNS损伤中内皮细胞和星形胶质细胞的激活会导致紧密连接完整性降低和细胞旁间隙的形成，从而允许细胞通过细胞旁途径迁移。此外，MSCs还能够消除和分裂内皮细胞之间的紧密连接。

MSCs的归巢可以系统地或非系统地发生。在非全身归巢中，MSCs直接移植到靶组织，随后由趋化因子和其他因素引导至损伤部位。相反，在全身归巢中，MSCs是在远离部位靶组织或损伤部位的地方给药的。科学家提出，间充质干细胞的系统归巢是由于它们与内皮细胞在白细胞样多级级联中的相互作用，最终使它们能够迁移穿过血脑屏障。

一般来说，几种不同的机制模型提出，间充质干细胞穿过循环系统，随后通过整合到内皮中离开血液循环，穿过内皮屏障。Ullah等人描述的MSC归巢机制的多步级联。由五个不同的步骤组成，即 (1) 束缚和滚动，(2) 细胞因子激活，(3) 整合素细胞停滞，(4) 迁移，和 (5) 迁移，如图所示图1。

图1：MSC归巢机制的多步级联包括五个不同的步骤，即（1）束缚和滚动，（2）细胞因子激活，（3）整合素细胞停滞，（4）迁移和（5）迁移。

MSCs在治疗性给药时首先进入血液。归巢过程始于MSCs减速并通过束缚内皮细胞表达的选择素与内皮细胞壁接触，并开始沿着血管壁滚动。接下来，整联蛋白受体，如VLA-4，被激活以响应G蛋白偶联趋化因子受体，如基质细胞衍生因子1 (SDF-) 1，它结合由MSC表达的配体，如CXCR4或CXCR7。整合素激活后，MSCs 在内皮细胞膜上停滞，因为MSC表达的整合素（如VLA-4）与内皮细胞上的VCAM-1结合。较早的激活增加了细胞停滞所必需的整联蛋白的亲和力；因此，VLA-4/VCAM-1的相互作用使MSCs能够牢固地粘附在内皮细胞上。

接下来，MSC在称为轮回的过程中穿过内皮细胞层和基底膜，由降解内皮基底膜的基质金属蛋白酶 (MMP) 的分泌促进。或者，MSC消除和分裂内皮细胞之间的紧密连接也可以促进它们的轮回。据报道，MSCs通过质管穿透内皮细胞 。最后，MSC 在受损组织释放的各种信号（如生长因子和趋化因子）的引导下迁移到损伤部位。一旦到达靶侧，MSCs 可以诱导受损组织微环境的改变，从而促进再生和保护。

递送方法被认为会影响干细胞的归巢能力。在损伤部位直接移植，例如，通过脑内注射或使用微型套管，被认为是成功归巢细胞的更有效方法，尽管它们可能在注射部位造成损伤。另一方面，据报道，间接递送，尤其是通过静脉注射，会导致MSCs被困在肺血管系统中。然而，随着时间的推移，这些MSCs最终会从肺部迁移到其他组织，包括大脑。然而，肺中的包埋可能会缩短MSCs的治疗寿命和潜在作用。

文献表明，肌肉注射正成为一种流行的MSC递送方法，在治疗包括肌营养不良和脑瘫在内的几种儿科神经障碍方面取得了可喜的成果。与通过静脉注射给药的MSCs治疗寿命较短相比，由于活性分泌细胞的停留时间较长，肌肉内注射MSCs可以潜在地治疗远处或全身性疾病，并具有持续的益处，并且已被临床证明是安全的。或者，干细胞可以通过鼻内应用递送，这是一种廉价且简单的替代途径，可有效绕过BBB治疗神经退行性疾病。

BBB的完整性受疾病严重程度和持续时间的影响，被认为有助于某些神经退行性疾病的进展，尽管其机制仍不清楚。

然而，研究表明，干细胞疗法在许多中枢神经系统或神经退行性疾病的组织再生和修复中代表了一种有前途的治疗方式。使用MSC或神经干细胞等干细胞已显示出可喜的结果，有可能减缓并在某些情况下逆转某些神经退行性疾病的进展。

尤其是MSCs治疗非常受欢迎，这可能是由于它们的神经保护和免疫调节特性，其中MSCs释放神经营养和生长因子以促进组织修复和再生。如前一节所述，干细胞能够归巢到损伤侧以启动内源性修复。此外，MSCs被认为可介导多种作用机制，使其可用于治疗多种疾病。

MSCs的应用已在许多动物模型和一些临床研究中得到广泛研究，包括但不限于帕金森病 (PD)、阿尔茨海默病 (AD)、肌萎缩侧索硬化 (ALS)、多发性硬化和中风。然而，干细胞作为一种治疗神经退行性疾病的工具，带来了许多好处和挑战，如表1所示。

PD是一种神经退行性疾病，其特征是黑质中多巴胺能细胞的损失，尽管它也可能是由其他神经传递系统的退化引起的。因此，预防垂死神经元细胞丢失或移植具有神经元特性的细胞的治疗对于治疗PD至关重要。在人类和动物模型中对PD的研究表明，间充质干细胞可以逆转帕金森症状。

虽然改善背后的确切机制尚不清楚，但作者推测，更好的多巴胺能调节可能是由于转化的多巴胺能神经元及其末端的存活和功能造成的。在同一项小型临床研究中长达36个月的随访，其中通过立体定向手术移植自体骨髓来源的MSC，表明用MSC治疗相对安全，没有肿瘤形成或其他不良副作用的迹象。

AD是最常见的痴呆形式，目前尚无明确的治愈方法。这种疾病的病理学特征是淀粉样蛋白-β肽的沉积和受影响的大脑区域中神经原纤维缠结的形成。几项研究在临床前模型中证明了MSCs治疗AD的功效。

研究发现MSC在AD小鼠模型中通过调节淀粉样蛋白-β清除来增强自噬并发挥神经保护作用。这一发现表明，受损的AD大脑可能会通过使用MSCs通过调节自噬途径来修复。

ALS被称为渐冻症是一种没有已知治愈方法的神经系统疾病，但干细胞疗法，特别是MSC，是ALS治疗的有希望的候选者。ALS小鼠模型的临床前研究表明，骨髓来源的MSC可被诱导分泌神经营养因子 (NTF)，从而延缓运动神经元退化并改善运动性能。

这些数据，在1/2期 ( NCT01051882) 和2a ( NCT01777646) 临床试验中，肌内 (IM) 植入ALS患者的骨髓MSC-NTFs。在试验的1/2阶段，6名早期ALS患者通过IM方法给予MSC-NTF，另外6名晚期ALS患者进行鞘内注射（IT）。2a期临床试验是一项剂量递增研究，共有14名早期ALS患者接受了自体MSC-NTF的IM和IT移植。

在临床试验中，虽然部分患者出现头痛、发热、呕吐、腿部和背部疼痛以及颈部僵硬等症状，但MSC-NTF的 IM、IT和IM+IT移植后均未报告严重的不良反应。除此之外，在注射部位没有发现感染或肿瘤形成。虽然MSC-NTF的IM植入与IT植入相比仅诱导了较小的有益临床效果，但两种方法都是安全的，有迹象表明可能对 ALS患者有临床意义的益处。

已发现创伤性脑损伤 (TBI) 会引发神经变性，如果不及时治疗，则会增加发展成更严重疾病的风险，例如慢性创伤性脑病、痴呆、AD和PD。

近年来，越来越多的证据支持使用MSCs减轻TBI后遗症的有效性，这表明MSCs可以增强患者神经系统的功能。安巴里等人已经证明，在TBI大鼠中静脉注射的MSCs能够分化成神经元和星形胶质细胞样细胞，从而改善感觉和运动功能，增强神经生长和再生。

Cox等人进行的另一项研究。已将MSCs静脉内植入10名患有TBI且格拉斯哥昏迷评分 (CGS) 评分在5至8之间的儿童，并对其进行了6个月的监测。在这10名儿童中，有7人在GCS上表现出积极的结果。另有3名儿童的生活质量没有显著改善。然而，他们都没有因使用MSC疗法而遭受任何不良反应或死亡。随后，MSC被用于治疗成人TBI，并取得了积极的结果 ，证明间充质干细胞的方法可以作为TBI患者的治疗方法。

迄今为止，干细胞疗法在治疗神经退行性疾病患者方面具有很大的潜力，具有许多临床安全性和有效性经验。干细胞绕过血脑屏障并迁移到大脑的亲和力和能力使它们成为一种通用的治疗方式，要么依靠干细胞的内源性治疗特性，要么利用它们的归巢特性进行药物输送。然而，需要更多的研究来更好地了解潜在的作用机制并扩大干细胞作为治疗神经退行性疾病的治疗工具的应用。

参考资料：

Yvonne Cashinn Chia, Clarice Evey Anjum, Hui Rong Yee, Yenny Kenisi, Mike K. S. Chan, Michelle B. F. Wong, Shing Yi Pan, "Stem Cell Therapy for Neurodegenerative Diseases: How Do Stem Cells Bypass the Blood-Brain Barrier and Home to the Brain?", Stem Cells International, vol. 2020, Article ID 8889061, 8 pages, 2020. https://doi.org/10.1155/2020/8889061.