中樞神經系統 (CNS) 創傷是影響數百萬人的全球性健康問題。中樞神經系統創傷，即創傷性腦損傷 (TBI) 和脊髓損傷 (SCI)，會導致大量進行性細胞損失和軸突變性，通常再生能力非常有限。

目前，尚無治療方法來保護受傷的CNS組織或替換丟失的組織。干細胞是一種可以自我更新并產生多種細胞譜系的細胞類型。

干細胞療法修復中樞神經系統創傷：4個原則—什么、何時、何地和為什么

近年來，使用干細胞和祖細胞的療法在實驗性中樞神經系統 創傷中顯示出良好的效果，特別是在急性-亞急性階段，但也適用于慢性損傷。然而，移植細胞實現結構和/或功能改善的治療機制通常尚不清楚。用于中樞神經系統創傷的干細胞療法可分為兩個主要概念，即外源性神經干細胞和神經祖細胞的移植以及內源性干細胞和祖細胞的募集。

在本綜述中，我們總結了創傷性腦損傷和脊髓損傷的病理學和病理生理學。在此基礎上，我們討論了針對這些損傷的主要干細胞療法類型、可能的機制、內源性干細胞的作用以及已知的治療時間和部位。最后，我們討論了未來研究的重點。

介紹

腦和脊髓創傷影響著全世界數百萬人，往往會給患者和家屬帶來嚴重后果。根據2016年全球疾病負擔研究，2016年創傷性腦損傷 (TBI) 發病率為2710萬 (2430-3030萬)，脊髓損傷 (SCI) 發病率為93萬 (780-120萬)，而TBI和SCI的患病率分別為5550萬 (5340-5760 萬) 和2700萬 (2500-3110萬)。

因此，盡管TBI比創傷性SCI更常見，但TBI的年齡標準化患病率僅為SCI的兩倍。此外，由于TBI的死亡率高于SCI，TBI患者的“帶殘生存年數”略少于SCI（810萬vs950萬），這表明SCI對患者、看護者和醫療保健系統的長期負擔可能超過TBI。盡管過去幾十年在護理和支持方面取得了非常重要的進展，但我們仍然沒有任何治療方法可以有效地預防創傷后的損傷過程或替換丟失的組織。然而，細胞療法的發展帶來了希望，這種情況可能會在不久的將來改變。

在這篇綜述中，我們將討論如何使用干細胞治療創傷性腦損傷和干細胞治療脊髓損傷，以及這兩種損傷的特點將如何影響開發治療的策略。

中樞神經系統創傷的癥狀和病理

嚴重的中樞神經系統 (CNS) 創傷會對多種關鍵功能產生重大影響。

每個人的TBI癥狀取決于受傷部位，但總體而言，嚴重TBI患者表現出廣泛的運動、感覺、記憶、認知、執行、情緒、精神和交流癥狀，嚴重情況下甚至會昏迷。

SCI患者在受傷水平以下會完全或部分喪失運動和感覺功能，并出現不同程度的腸道和膀胱失禁、性功能障礙、自主神經反射異常、痙攣和神經源性疼痛。

TBI和SCI在急性期早期（0-2天）導致細胞壞死。神經元和神經膠質細胞的原發性變性是由于組織中的神經和血管結構因撕裂、出血、缺血、水腫和血腦屏障或血脊髓屏障受損而破壞所致。在急性期，會出現第一波炎癥細胞，然后在亞急性期（2-14天）發生繼發性變性。繼發性變性是由細胞成分的釋放、急性炎癥和缺血引發的。一系列退化過程（例如活性氧的釋放、谷氨酸毒性、促凋亡細胞因子的釋放）會導致進行性退化。因繼發性變性造成的組織損失通常超過原發性變性。這與大多數治療策略有關，因為如果預防退化級聯，受影響的組織有可能得到挽救。

因此，它們很難成為治療目標。然而，在慢性期，環境主要是有害的，這使得開發不干擾內源性修復機制的療法（包括細胞療法）變得更加容易。

中樞神經系統創傷的部位

討論細胞治療策略時，組織病變的位置至關重要。脊髓損傷主要是一種局部損傷，而中度至重度創傷性腦損傷是一種多灶性損傷，影響大腦的整個范圍，并有多個退化部位（圖1）。

與SCI類似，TBI的損傷部位也有局部損傷（“撞擊”），導致原發性和繼發性退化。然而，TBI的退化挫傷部位往往更多，而且通常發生在原發性挫傷的對側（“對沖”），因為大腦會撞擊顱骨內表面并發生變形。顱骨的撞擊導致壓力波迅速穿過大腦，導致對沖部位出現明顯的負壓，即所謂的對沖空化，從而導致廣泛的退行性變化。

此外，由有害的加速/減速力和神經元和神經膠質結構剪切引起的彌漫性軸突損傷 (DAI) 會導致白質發生廣泛的退行性變化，通常與長時間昏迷有關。因此，嚴重TBI后的死亡率相對較高，而SCI患者通常可以存活。重要的是，TBI和SCI中的組織損失是原發性和繼發性退化的綜合結果。

在嚴重TBI中，通常有多個實質損傷區域，原發性變性位于撞擊部位（1）

以及通常與撞擊相反的其他部位（2）。

除了因原發性變性導致的細胞全壞死外，靠近原發性變性的受損組織中還發生繼發性變性，表現為軸突損傷（3）和神經元凋亡和壞死。在更遠處的白質中，DAI伴有軸突變性（3）

或脫髓鞘（4）。

相反，即使是嚴重的 SCI 也主要局限于一個部位，中央區域全壞死，經過該區域的上升和下降軸突變性（5）

繼發性變性發生在相鄰組織中。受逆行變性影響的軸突，病變核心附近的大量軸突表現出廣泛的脫髓鞘（6）

中樞神經系統創傷的潛在細胞療法

中樞神經系統創傷是目前無法治愈的疾病，哺乳動物中樞神經系統的再生潛力有限。由于干細胞具有自我更新和分化為多種細胞譜系的潛力，干細胞療法已成為開發中樞神經系統創傷治療的主要策略之一。但哪種療法最有潛力呢？在干細胞治療領域，有兩種主要策略得到了廣泛的研究：

（1）干細胞/祖細胞移植（外源性）和

（2）招募常駐干細胞和祖細胞（內源性）。由于大多數研究集中在急性/亞急性期，我們將首先討論在此階段進行的不同干細胞療法的優缺點，然后討論慢性損傷的治療方法。

干細胞移植治療中樞神經系統創傷的疾病

30多年來，細胞移植作為中樞神經系統創傷的一種可能治療方法已被廣泛研究。潛在的假設是，移植細胞

(1) 分化為功能性神經元和神經膠質細胞、替代丟失的組織并恢復功能網絡，或

(2) 提供抑制退化、修復受損中樞神經系統微環境或增強再生的因子（圖2）。

正如我們將在下文中討論的那樣，干細胞和祖細胞理論上可以通過多種機制使受損的中樞神經系統受益。神經干細胞 (NSC) 和神經祖細胞 (NPC) 已被證明可以分化和替換丟失的細胞。釋放生長因子以提高宿主細胞在受傷后的存活率和/或增強再生是干細胞的共同特征，調節免疫機制的能力也是如此。為了繼續開發更有效的細胞療法，重要的是理清不同的作用機制，并確定哪些機制對治療效果很重要。

源自胚胎干細胞 (ESC)、誘導性多能細胞 (iPSC) 和胚胎胎兒腦的 NPC均具有這種影響。源自這些來源的所有NPC均具有分化為神經元、少突膠質細胞和星形膠質細胞的能力。

所有研究的干細胞/祖細胞都具有表達和可能/已證實釋放各種生長因子 (1) 的共同點，內源性星形膠質細胞 (2) 也會出現這種情況。生長因子的釋放可以支持受損的神經元 (3) 并增強軸突再生 (4)。來自分化NPC的神經元有可能連接受傷區域，在退化區域傳遞神經元信號 (5)，而NPC衍生的少突膠質細胞可以使脫髓鞘軸突重新髓鞘化 (6)。所有內源性細胞均以灰色表示，而移植的NPC及其分化后代則根據細胞類型以顏色表示。

治療中樞神經系統創傷的干細胞有哪些？

• 胚胎和胎兒神經干細胞和祖細胞
• 誘導性多能干細胞 (iPSC)
• 間充質干細胞（MSC）

在中樞神經系統創傷中募集內源性干細胞和祖細胞

盡管已開展的移植研究為中樞神經系統創傷提供了一些有希望的結果，但諸如手術并發癥、長期免疫抑制、倫理問題、腫瘤形成等問題仍然存在。

近年來，成人內源性NSC和NPC及其在中樞神經系統再生中的作用的發現為中樞神經系統創傷后的治療提供了另一種策略。在成年哺乳動物的中樞神經系統中，來自大腦和脊髓離散區域的細胞可以在體外自我更新并分化為神經元和神經膠質細胞，這表明在發育期之后中樞神經系統中仍存在NSC（圖3）。

由于缺乏合適的工具，以前很難確定哪些細胞類型具有干細胞潛能，以及不同的神經祖細胞如何促進SCI和TBI后的恢復。自2005年以來，可以使用基于Cre/loxP系統的譜系追蹤技術在體內對不同的NSC和NPC進行基因標記，以確定它們的來源和中樞神經系統損傷后的潛力。

大腦中的內源性神經干細胞和祖細胞

在成人大腦中，內源性NSC主要位于海馬的SVZ和SGZ。這些NSC在健康條件下有助于成人神經發生。TBI后，SVZ中的NSC可以在體外被激活進行自我更新但可能對SVZ的增殖擴張沒有顯著貢獻，并且主要分化為神經膠質細胞而不是神經元。一些實驗研究表明，實驗性TBI后海馬神經發生增加，這似乎對海馬的反應性可塑性以及TBI后的認知恢復很重要。

脊髓內源性神經干細胞和祖細胞

與大腦相反，在正常或受傷的哺乳動物脊髓中沒有明顯的神經發生證據。使用譜系追蹤小鼠模型，發現中央管內壁的室管膜細胞在體外可以自我更新并分化為神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞，但在健康條件下在體內增殖率較低。然而，脊髓損傷后，室管膜細胞大量增殖，分化為星形膠質細胞和少突膠質細胞（但不會分化為神經元），并遷移到病變部位促進傷口愈合。因此，調節星形膠質細胞或內源性NSC可以作為潛在的治療方法。

通過基因操作阻斷脊髓損傷后的室管膜細胞增殖，研究表明，室管膜細胞對于脊髓修復至關重要，因為它有助于神經膠質瘢痕形成和神經營養因子的分泌。在人類中，室管膜細胞從幼年到成熟成人也表現出NSC 特征。這些研究表明，無論SCI患者的年齡如何，都可以針對室管膜細胞進行再生。

時間和地點

細胞療法中的兩個關鍵問題是“何時？”和“在哪里？”何時治療與治療時間窗口有關，這取決于所討論療法的主要治療效果。

大多數細胞移植研究都是在TBI或SCI的急性或亞急性期進行的。然而，有許多理由需要更多地關注慢性治療。處于急性/亞急性期的患者可能在醫學上不穩定，無法接受侵入性治療，并且可能沒有認知能力或情緒狀態來決定潛在的危險治療。

患者在前6-12個月內會自發好轉，因此急性干預研究必須包括大量患者才能檢測出顯著的效果，最好是假治療對照。對于急性和亞急性治療，沒有足夠的時間從患者體內體外擴增iPSC衍生的NPC。對于處于慢性期且癥狀更穩定的患者研究，治療組可以小得多，但統計能力相似。慢性研究的后勤工作也簡單得多。

“在哪里？”這個問題很難回答。幾乎沒有研究解決這個問題，而且細胞移植的部位在不同研究中差異很大。在少數研究中，細胞是全身給藥的，但在實驗研究中，NPC通常被注射到實質中。不幸的是，在許多研究中，細胞被注射到幾個部位，而沒有對不同移植部位的治療效果進行比較。

不幸的是，這個問題也是許多臨床試驗中關注的問題。例如，在已發表的SCI中MSC臨床試驗中，使用的注射次數不同，有的在病變區域內和/或上方注射，有的在椎管內和鞘內細胞注射相結合，甚至椎管內和靜脈注射相結合，因此很難得出與植入部位相關的機制結論。雖然植入細胞的遷移可能會使實際注射部位變得不那么重要，但為了臨床轉化，如果可以使用標準化的注射方案將是有利的，而且顯然需要對不同的注射方案進行比較的研究。

結論

經過數十年的研究，中樞神經系統創傷仍然無法治愈。然而，大量已發表的研究表明，細胞療法有可能改變這種情況，從而回答了“為什么？”這個問題。

我們繼續看到重要的進展，從而更深入地了解所涉及的過程。在急性-亞急性嚙齒動物研究中，移植外源干細胞或調節內源干細胞和祖細胞已被證明可以保護處于危險中的組織、補償細胞損失、修復神經回路并促進功能恢復。

干細胞療法為治療目前無法治愈的腦和脊髓創傷提供了可能性。干細胞有可能減輕急性亞急性階段的初始損傷，并替代慢性損傷中丟失的組織。不同類型的外源干細胞可以在細胞培養中產生并移植到選定區域，并且有對損傷有反應并可用于治療的內源性干細胞。在我們的綜述中，我們描述了最近的進展，以及我們認為研究應該關注的內容。

參考資料：Xiaofei Li, Erik Sundstr?m, Stem Cell Therapies for Central Nervous System Trauma: The 4 Ws—What, When, Where, and Why, Stem Cells Translational Medicine, Volume 11, Issue 1, January 2022, Pages 14–25, https://doi.org/10.1093/stcltm/szab006

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