摘要
随着社会的老龄化加剧，神经系统疾病正成为一个越来越大的负担，人们迫切需要解决这个螺旋上升的问题。以干细胞为基础的再生医学正在成为设计此类疾病治疗的一种越来越有吸引力的方法。间充质干细胞（mesenchymalstemcells，MSCs）的独特特性使其成为最受欢迎的细胞来源之一。研究人员广泛研究了骨髓间充质干细胞的调节特性及其工程、标记和向大脑输送的方法。本综述的第一部分概述了骨髓间充质干细胞在各种神经系统疾病中的应用研究，包括中风、创伤性脑损伤、脊髓损伤、多发性硬化、肌萎缩侧索硬化、阿尔茨海默病、亨廷顿病、帕金森病，以及其他研究较少的临床实体。在第二部分，干细胞输送到大脑是重点。为了成功地将干细胞应用于脑部疾病，这一基本但仍有待研究的问题需要克服。这里还强调了细胞工程的价值，以促进MSCs的渗出、迁移和归巢到受疾病影响的大脑区域，从而实现干细胞治疗的精准医学模式。
1.背景
由于中枢神经系统（CNS）再生受限，神经损伤通常是不可逆的。与其他疾病相比，神经系统疾病的治疗选择范围受到限制。近年来，干细胞治疗为许多患者带来了希望。基于干细胞的再生能力，各种干细胞的移植治疗已经在基础研究和临床前研究中得到了验证，其中一些已经显示出巨大的前景。神经干细胞（neuralstemcells，NSCs）曾一度被认为是中枢神经系统治疗干预的最佳选择；然而，迄今为止，大多数研究报道的主要治疗机制是营养和免疫调节作用，而不是神经元替代。以前对神经干细胞的研究表明，没有观察到长期存活和与宿主组织的整合，治疗效果可能与旁分泌活性有关。有了这一证据，研究重点转向了间充质干细胞（MSCs），因为它们具有旁分泌和免疫调节潜能（图1）。它们很容易从各种来源获得，如骨髓、脂肪组织等。在实验研究中，基于MSC的治疗在不同的神经疾病动物模型中显示出有益的效果。与此同时，在制定临床接受的交付和监测方案方面取得了重大进展。迄今为止，已有项应用骨髓间充质干细胞治疗神经系统疾病的临床试验注册。
图1促进神经系统疾病再生的MSCs活性。
2.利用间充质干细胞治疗中枢神经系统疾病的实验尝试
利用骨髓间充质干细胞进行细胞治疗是目前再生医学发展最为活跃的分支之一。从各种来源获得MSCs的简单性以及它们的低免疫原性和免疫调节能力意味着它们可以移植到自体和同种异体系统中。此外，骨髓间充质干细胞的抗凋亡、旁分泌和多向分化能力也推动了其目前在转化研究和临床试验中对最常见疾病（包括涉及中枢神经系统结构的神经系统疾病，如中风、阿尔茨海默病（AD）、肌萎缩侧索硬化症）的治疗进行评估（ALS）、亨廷顿氏病和帕金森氏病（HD、PD）、多发性硬化症（MS）和脊髓损伤，目前尚无有效的替代治疗方法（表1）。
2.1.MSCs在脑卒中中的作用
中风表现为大脑血液循环中断引起的突发性神经功能缺损。由于其发病机制，出现缺血性和出血性中风。前者以脑血管闭塞为特征，后者以脑血管破裂为原因。缺血性中风是最常见的脑部疾病。病理上，它由坏死核心和周围半影组成。根据中风部位的不同，可能会出现各种症状，如意识丧失和昏迷、痴呆、视力、感觉、语言障碍、上下肢轻瘫和面神经损伤。中风后患者的残疾程度可能较轻，仅导致活动能力轻微下降，或可能导致严重的残疾，患者需要持续的帮助。目前唯一被批准的治疗缺血性中风的药理学方法是向患者静脉注射组织型纤溶酶原激活剂以溶解血块，导致血管闭塞。然而，在中风症状出现后的4.5小时内，实施这一程序的治疗窗口非常狭窄，这限制了一小部分患者使用它的可能性（≈15%）。近年来，许多文献显示动脉途径取栓效率高，治疗窗明显延长，部分病例可长达24小时。然而，一些病人仍然经历中风尽管机械血栓清除，虽然它是温和的。在许多中心，血栓切除术成为中风护理的标准，但它需要专业设备和训练有素的专家。因此，在世界上大多数国家，这种治疗的可用性仍然很低。因此，治疗结果的替代或补充策略是必要的。其中一种方法是基于干细胞的治疗。在不同类型的干细胞中，MSCs似乎为中风治疗提供了最好的前景。骨髓间充质干细胞具有神经保护、神经原性和免疫调节功能，已广泛应用于亚急性、急性或慢性脑卒中动物模型的治疗。在急性脑卒中中，除了神经元死亡外，炎症反应也被上调，从而破坏损伤区的缺氧组织，并引发细胞因子级联反应，扩大损伤区域。骨髓间充质干细胞的神经保护因子转运和免疫调节能力可减轻炎症反应。此外，在中风的慢性期，骨髓间充质干细胞的输送已经被证明可以激活再生机制，从而有助于脑功能的恢复。
骨髓间充质干细胞可以通过静脉注射（IV）、动脉内注射（IA）或脑内注射（IC）的方式进行给药。MSC输注后，脑水肿减轻，病变面积缩小。
在不同的动物中风模型中，MSC治疗显示缺血损伤周围轴突密度和重构增加，并与功能恢复改善相关。MSC移植的治疗效果可能与分泌促进轴突生长和再生的因子有关神经发生。最近,Nagahama等人已经证明，在大鼠脑梗死模型中，静脉注射MSCs增强了通过胼胝体的皮质连接，并增强了同侧神经元突触素的表达。脑缺血不仅影响神经元，也影响其他类型的细胞，尤其是血管细胞。MSCs通过增加血管密度和释放不同的生长因子来促进血管生成和血管生成。此外，骨髓间充质干细胞移植可保护受损的脑微血管免受缺血再灌注损伤。这种有益作用的关键机制之一可能是外源性MSCs与受损内皮细胞之间的线粒体转移。MSCs在脑卒中后功能改善方面的治疗潜力也可能依赖于稳定血脑屏障（BBB）。在不同的脑卒中模型中，MSC灌注后受损神经组织BBB通透性降低。最近的研究表明，移植的MSCs与周细胞、星形胶质细胞和神经元相互作用，提供BBB的完整性和维持。
中风伴随着炎症和免疫反应，这些反应在疾病的每个阶段都被激活。因此，神经炎症被认为是脑卒中的一个有吸引力的治疗靶点。由于骨髓间充质干细胞具有免疫调节特性，它们能够抑制中风后的炎症过程。结果表明，MSC移植可显著降低星形胶质细胞和小胶质细胞/巨噬细胞的局部活化，减少白细胞（包括T细胞*细胞）对脑损伤的影响。此外，MSC输注通过降低促炎细胞因子白细胞介素1α、白细胞介素1β、白细胞介素6、肿瘤坏死因子α和趋化因子的水平，同时增加抗炎细胞因子白细胞介素4、白细胞介素10和干扰素β的水平，在炎性级联反应中发挥作用。
MSC移植在临床前脑卒中模型中的阳性结果为临床试验提供了事实依据。根据从临床试验.gov网站和国际临床试验研究平台网站上，MSCs主要用于近一半的脑卒中细胞治疗临床试验。据文献报道，MSCs被用于急性和慢性缺血性卒中的治疗。然而，详细的分析揭示了在疾病的急性期使用MSCs的趋势，因为它们的主要作用机制是通过免疫调节调节炎症反应。对自体和异体MSCs进行了研究，数据与脑卒中患者细胞治疗的安全性相一致。迄今为止，已有27项应用MSCs治疗中风的临床试验被注册。中风后骨髓间充质干细胞的初步人体研究集中于自体细胞治疗。第一个临床实验于年在韩国进行。在30例脑梗死患者中，5例接受了自体MSCs静脉输注。一年的系列评估显示没有不良的细胞相关影响。尤其值得注意的是，与未接受MSC移植的患者相比，卒中发生后5年内的死亡率显著降低。其他一期研究也证明了静脉注射或动脉内注射自体骨髓间充质干细胞的安全性和可行性，恢复情况略有改善。在第二阶段的随机多中心试验中，异体骨髓间充质干细胞静脉输注治疗被证明是耐受的。此外，没有观察到异基因供体细胞的免疫不良反应。在临床环境中，异基因骨髓间充质干细胞的受者表现出长期或短暂的神经功能改善。此外，异基因MSC输注与循环T细胞和炎性细胞因子的短期减少有关。只有两个超过名患者的随机对照III期试验已经登记，但没有一个已经完成。异基因骨髓间充质干细胞已成为中风急性期或亚急性期的主流；然而，最近发表了慢性中风患者骨髓间充质干细胞输注的I/II期研究，以评估该人群中的异基因骨髓间充质干细胞治疗。36例患者静脉输注同种异体骨髓间充质干细胞（BM-MSCs）是安全的。一些患者的功能状态有所改善。此外，在18例稳定的慢性缺血性中风患者中植入同种异体、转基因BM-MSCs（SB）。在一项为期2年的I/II期研究中，12名患者将SB植入皮质下卒中区域周围的部位是安全的，并伴有神经功能恢复的改善。
根据实验研究，来源于血液、骨髓或腹部脂肪组织的MSCs，在不同脑卒中模型中移植IV、IA或IC可改善移植受者的神经功能缺损。骨髓间充质干细胞的输注通过促进神经发生和神经分化、刺激血管生成和血管生成、显示伴随卒中的免疫反应的免疫调节来促进功能恢复。所有的临床研究都没有报道MSC治疗的不利影响。与对照组相比，细胞治疗组的部分患者神经功能恢复。
2.2.MSCs在颅脑损伤中的应用
创伤性脑损伤（TBI）是年轻人中发病率最高的疾病。它通常发生在头部的外部机械力，导致神经功能受损，甚至死亡。TBI造成的损伤可分为两个阶段。早期阶段是最初的损伤的直接影响，导致血脑屏障破坏，脑肿胀，脑出血。急性期的氧化应激和兴奋*性导致局部或弥漫性脑区的细胞迅速死亡。下一个阶段是在最初的创伤发作后1-3天，由原发性损伤激活的第二次损伤，持续数周或数月。进行性继发性损伤与兴奋性氨基酸释放、离子失衡、钙超载、线粒体功能障碍有关，并导致持续性神经退行性变。TBI的次要机制包括细胞死亡、轴突损伤和神经发生减少。此外，伴随脑损伤的免疫和炎症反应扩大了神经元损伤。创伤后神经炎症的特点是促炎细胞因子分泌、免疫细胞募集和小胶质细胞激活。
迄今为止，没有一种单一的治疗方法能有效地降低TBI的死亡率或改善患者的功能恢复。多种药物并不能改善疾病的预后。TBI的单靶点治疗由于发病过程中多种因素的影响而无效。因此需要一种多靶点的治疗策略。一个有希望的选择是细胞移植。许多临床前研究表明，MSC在不同的TBI实验模型中的应用可以处理多种疾病病理学方面的问题。
将MSCs直接输注到受伤的脑内或静脉或IA输注可减轻TBI诱导的动物运动和认知障碍。实验结果表明，MSCs对TBI大鼠和小鼠的脑损伤有促进神经发生、神经保护和神经修复的作用。
MSC疗法在调节炎症方面更具优势。Lin和他的同事证明MSC移植下调了TBI大鼠脑内的促炎基因，上调了抗炎基因。MSCs的免疫调节特性表现为将TBI受体的小胶质细胞从促炎（M1）表型重新编程为抗炎（M2）表型。
结果表明，骨髓间充质干细胞经基因修饰后移植于创伤性脑损伤动物模型，可提高其治疗效果。过度表达成纤维细胞生长因子21（FGF‐21）的基因工程MSCs，将IC注射到TBI小鼠脑内，增强细胞归巢至损伤部位，并增加海马神经发生。类似地，Shi及其同事指出，携带CXC趋化因子受体4（CXC‐R4）的骨髓间充质干细胞移植可改善TBI大鼠的MSC‐CXC‐R4迁移能力。利用转基因MSCs治疗TBI最有希望的方法是过度表达抗炎因子。最近的研究表明，在TBI的实验模型中注入的过度表达IL-4或IL-10的转基因MSCs可以保护神经细胞免受炎症的影响。他们还促进小胶质细胞表达M2表型标记，并减少损伤脑中TNF-α的产生。众所周知，缺氧使创伤性脑损伤复杂化，导致继发性脑损伤。过度表达缺氧诱导因子1α（HIF-1α）的转基因MSCs显示，与天然MSC移植相比，TBI小鼠的神经功能恢复有更显著的改善。
MSCs的治疗潜力与分泌生物活性因子有关。最近的研究结果表明，MSCs释放的外显子表现出与相应外显子相似的作用。胞外体可以静脉注射，IA，侧脑室注射，鞘内注射或静脉注射。人骨髓间充质干细胞来源的无细胞外体已在实验动物体内进行了研究。向TBI大鼠静脉注射MSC胞外体可通过促进内源性神经发生和血管生成，显著改善运动障碍和空间记忆。近年来，经静脉输注MSCs的分泌体可减轻神经炎症，抑制促炎细胞因子的分泌，调节小胶质细胞的极化，改善神经细胞的丢失。在另一项研究中，在TBI大鼠中移植MSC衍生的外显体可阻止小胶质细胞促炎性激活，从而减轻神经损伤，促进脑损伤后的功能恢复。从骨髓间充质干细胞分离出的外小体也被报道可以减轻TBI大动物模型的神经损伤。Williams及其同事证明，静脉注射人骨髓间充质干细胞产生的外泌体可改善严重TBI猪的血脑屏障完整性，减少脑肿胀和病变部位。
实验研究结果为MSCs在TBI患者中的临床应用提供了一条有希望的途径。迄今为止，MSC治疗TBI的临床试验相对较少。在颅脑手术中，自体骨髓间充质干细胞移植到外伤性脑损伤患者的大脑中，没有显示出不良反应。同样，97例TBI亚急性期患者经腰椎穿刺给予自体BM-MSCs被证明是安全有效的。约40%的患者在MSC移植后神经功能得到改善。在I期试验中，有报道称自体BM-MSC移植可减少成人和儿童TBI后的神经细胞丢失、神经炎症耗竭和改善临床结果。
综上所述，实验和临床研究的结果表明，MSCs移植在TBI受者中通过刺激神经发生、血管生成、新生神经元的成熟及其神经保护和调节损伤脑的炎症过程来促进神经组织修复。它可以改善认知和运动功能的恢复，减少脑组织损伤的TBI障碍。
2.3.MSCs在阿尔茨海默病中的作用
AD是一种慢性神经退行性疾病，表现为进行性痴呆，导致记忆丧失和认知功能障碍。AD患者的脑组织病理学表现为淀粉样β（Aβ）斑块的积聚和神经纤维缠结的细胞内形成，导致胆碱能神经元的丢失。神经炎症在AD中起重要作用，aβ的慢性积累激活小胶质细胞，加速神经元的丢失和认知功能的下降。在所有的治疗方法中，以MSC为基础的治疗已经可以应用于AD。已经进行了AD、IV、IC和脑室内（INVE）输注MSCs动物模型的实验研究。
临床前研究表明MSC输注可以改善AD患者的认知障碍。据报道，通过减少Aβ的沉积，在AD治疗的动物模型中刺激其清除，可以挽救记忆缺陷。在AD小鼠模型中，人MSCs通过增强病理神经元的自噬作用降低Aβ水平。其他人报道了通过增强细胞增殖和Nestin表达以及性别决定区Y盒2（SOX2）的存在，Aβ处理的小鼠或移植有MSCs的大鼠海马中的神经发生增强，NeuroD显示神经元分化和新生神经元的长期存活率降低。研究表明，在接受MSC移植的AD患者大脑中，伴随着神经营养因子水平的上调，即脑源性神经营养因子（BDNF）、神经生长因子（NGF）和血管内皮生长因子（VEGF），这些因子可以保护神经元和神经元的完整性。AD大鼠脑内注入MSCs后，脑内乙酰胆碱水平升高，胆碱乙酰转移酶和乙酰胆碱酯酶表达增强，这是海马神经元功能改善的证据。AD的认知损伤也与突触丢失有关。在最近的研究中，Zappa-Villar等人观察到MSC治疗恢复了散发性AD大鼠模型海马中突触结合蛋白-1（SYT1）、突触素（SYP）和谷氨酸脱羧酶65突触标记物的水平，表明MSCs对突触蛋白丢失具有保护作用。此外，由于小胶质细胞突起与神经元突触有联系，与AD相关的小胶质细胞的长时间激活可引起突触*性，并加速神经元的丢失。
MSC输注可改变AD动物模型的炎症效应。在MSC受者中观察到小鼠皮质小胶质细胞活化显著降低，促炎因子，即TNF-α、IL-6、巨噬细胞趋化蛋白（MCP）-1的表达降低。骨髓间充质干细胞移植可将活化的小胶质细胞从产生促炎细胞因子的M1表型转换为M2表型，从而对AD具有抗炎作用并提高神经元存活率。
基于在Aβ治疗动物中使用骨髓间充质干细胞的实验结果，已经登记了许多AD患者的临床试验。[91]年在韩国首尔进行的第一期临床试验中，9名轻度/中度AD诱导的痴呆患者接受了异体骨髓间充质干细胞的立体定向脑灌注（NCT）。骨髓间充质干细胞给药是一种可行且耐受性良好的方法。随后在韩国进行的将同种异体MSCs移植到AD患者海马的I/II期临床试验也被报道是安全的。在18-24个月的随访中，没有患者出现严重并发症（NCT和NCT）。年，美国食品和药物管理局（FDA）在美国接受了MSCs治疗AD的第一个II期试验。这项多中心、安慰剂对照研究在加利福尼亚州进行，纳入了40名老年痴呆症患者，并采用了美国国立卫生研究院（NIH）认知量表（NCT）对活动进行了评估。现在类似的试验正在欧洲和亚洲的其他中心进行；然而，没有观察到使用MSCs治疗的AD患者的临床状况有显著改善。
大量研究表明，AD患者使用不同的药物治疗只能缓解症状，不能治愈疾病。近年来，以MSC移植为主的干细胞治疗为AD的治疗提供了新的可能。临床前研究表明，MSCs可以减少Aβ沉积和异常蛋白降解，上调乙酰胆碱水平，提高神经元存活率，从而改善AD动物模型的空间学习记忆。此外，MSC移植可促进AD鼠海马神经发生，稳定突触。重要的是，MSC输注通过调节AD鼠脑内小胶质细胞和星形胶质细胞的活化来调节神经炎症。在实验研究中观察到的AD症状的改善维持了MSC治疗AD患者的良好前景。单次立体定向脑内输注MSCs治疗AD患者是可行的，安全的，无严重并发症。
2.4.骨髓间充质干细胞与亨廷顿病
未完待续。。。。
原文文献：
MesenchymalStemCellsforNeurologicalDisordersAnnaAndrzejewska,SylwiaDabrowska,BarbaraLukomska,andMiroslawJanowski