干細(xì)胞治療脊髓損傷的機制

每年，全世界有 93 萬人遭受脊髓損傷 (SCI) 并留下無法挽回的后遺癥。康復(fù)是目前唯一可用的治療方法，不能恢復(fù)受損組織；因此，患者的功能恢復(fù)仍然有限。脊髓損傷的病理生理學(xué)是異質(zhì)的，這意味著潛在的治療目標(biāo)因損傷發(fā)作時間、損傷程度或脊髓損傷水平而異。

近年來，盡管基于各種類型的干細(xì)胞進行了大量臨床試驗，但并未有效考慮這些方面的損傷，導(dǎo)致試驗結(jié)果困難重重。在癌癥等專業(yè)領(lǐng)域，基于患者特征的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)帶來了無可爭辯的治療進步。

本綜述的目的是促進脊髓損傷領(lǐng)域精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展。在這里，我們首先描述脊髓損傷的分類、慢性期的特征和完全損傷的亞型。然后，我們詳細(xì)介紹了針對每種病理狀況的不同類型的干細(xì)胞療法的適當(dāng)目標(biāo)和相關(guān)機制。最后，我們強調(diào)了干細(xì)胞治療在頸椎脊髓損傷中的巨大潛力。

干細(xì)胞療法與脊髓損傷

SCI 的病理生理學(xué)很復(fù)雜，涉及多種細(xì)胞類型之間復(fù)雜的動態(tài)相互作用，不能用一維方法治療，即那些依賴單一作用機制的方法。由于具有復(fù)制、分化成多種細(xì)胞類型和分泌大量營養(yǎng)因子的能力，干細(xì)胞非常適合治療脊髓損傷的多方面病理生理學(xué)。、

SCI 的干細(xì)胞療法可大致分為兩類。第一類涉及非神經(jīng)干細(xì)胞，包括骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞 (BM-MSC)、臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞 (UC-MSC) 和脂肪組織來源的間充質(zhì)干細(xì)胞 (AD-?MSC?)?。常采用靜脈/鞘內(nèi)給藥，植入到受傷區(qū)域取決于歸巢機制，分化成神經(jīng)細(xì)胞受到限制，因此病灶的神經(jīng)補充也受到限制。然而，MSCs分泌的神經(jīng)營養(yǎng)因子已被證明對病變具有治療作用。這類使用各種類型的 MSC 的干細(xì)胞療法，我們將在本綜述中稱為支持性干細(xì)胞療法，構(gòu)成了SCI領(lǐng)域的絕大多數(shù)臨床試驗或研究。與神經(jīng)干細(xì)胞相比，MSC 通常易于分離制備，這一事實在監(jiān)管程序中具有巨大優(yōu)勢。

第二類干細(xì)胞療法基于可以產(chǎn)生神經(jīng)細(xì)胞的干細(xì)胞。嗅鞘細(xì)胞(?OEC?)?、神經(jīng)干祖細(xì)胞(?NSPC?)?和源自胚胎干細(xì)胞或誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的神經(jīng)祖細(xì)胞(?NPC）通常直接移植到受傷的脊髓中.?在該策略中，移植過程是侵入性的特殊手術(shù)，細(xì)胞的制備通常需要復(fù)雜的過程。另一方面，植入是移植細(xì)胞的預(yù)期命運，取代丟失的神經(jīng)細(xì)胞并最終在功能上替代它們。在這篇綜述中，這種策略將被稱為負(fù)荷療法。

脊髓損傷的分類

( A ) 殘留功能組織的不完全損傷。通過常規(guī)治療有望康復(fù)。

( B ) 假性完全損傷。無功能但可重新激活的組織（淺棕色）延伸穿過脊髓，打破了頭尾功能連續(xù)性。傳統(tǒng)治療很難恢復(fù)。通過促進軸突伸長和促進可再激活組織中的神經(jīng)活動，可以預(yù)期功能恢復(fù)。

( C ) 真正的完全傷害。無神經(jīng)組織（灰色）橫跨整個脊髓，在頭端或尾端對周圍可再激活組織的治療無法提供功能性顱骨連接。

干細(xì)胞移植治療脊髓損傷的作用機制

神經(jīng)保護作用

干細(xì)胞能夠分泌許多神經(jīng)營養(yǎng)因子，如腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子、 膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子、神經(jīng)生長因子和堿性成纖維細(xì)胞生長因子等，從而發(fā)揮神經(jīng)保護作用，包括減少神經(jīng)變性和凋亡，支持神經(jīng)發(fā)生、軸突生長、髓鞘再生和細(xì)胞代謝等。當(dāng)干細(xì)胞分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子功能受損時，對脊髓損傷的神經(jīng)保護作用降低。

減輕神經(jīng)營養(yǎng)因子

干細(xì)胞分泌的神經(jīng)營養(yǎng)因子發(fā)揮神經(jīng)保護和抗炎作用。在這方面，最佳移植窗口是在急性和亞急性期，此時細(xì)胞死亡和炎癥最嚴(yán)重。由于神經(jīng)保護和抗炎作用在移植后很快開始，因此在亞急性期干細(xì)胞移植后通常會迅速觀察到實驗動物運動功能的改善。

因此，免疫染色分析表明，移植的神經(jīng)干細(xì)胞減少了病變區(qū)域嗜中性粒細(xì)胞和 iNOS+/MAC-2+激活的巨噬細(xì)胞的積累。RT-PCR分析也證實了在這種情況下炎癥細(xì)胞因子如TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-12的下調(diào)。這表明移植細(xì)胞通過抑制損傷部位周圍炎癥引起的繼發(fā)性損傷來促進脊髓損傷后的功能恢復(fù)。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞也被證明可以通過分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子的神經(jīng)保護機制和穩(wěn)定血脊髓屏障，來改善SCI后的功能。因此，支持性干細(xì)胞療法和負(fù)荷干細(xì)胞療法中神經(jīng)營養(yǎng)因子分泌的緩解作用似乎是一種強大的作用機制，尤其是在SCI后的急性和亞急性期。

調(diào)節(jié)神經(jīng)營養(yǎng)因子

除了在急性和亞急性期抑制炎癥和神經(jīng)保護外，神經(jīng)干細(xì)胞分泌的神經(jīng)營養(yǎng)因子對神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞具有持續(xù)的積極作用，例如，激活損傷周圍殘留的可再激活組織，從而將由于長期增強而穩(wěn)定地發(fā)揮作用。

髓鞘再生

髓鞘再生促進療法的前提是殘余脫髓鞘和功能失調(diào)的神經(jīng)纖維的功能可以通過髓鞘再生得到恢復(fù)。在支持性干細(xì)胞治療的背景下，這種髓鞘再生策略需要功能性少突膠質(zhì)細(xì)胞仍然存在。作為一種作用機制，髓鞘再生相對較慢，因為成熟的髓鞘包裹軸突的形成被認(rèn)為至少需要三周。在加載干細(xì)胞療法的情況下，必需的少突膠質(zhì)細(xì)胞源自移植的干細(xì)胞，這意味著移植細(xì)胞分化成成熟的少突膠質(zhì)細(xì)胞需要額外的時間。

中繼機制

關(guān)于負(fù)荷干細(xì)胞治療，所謂的中繼機制是最有前途的機制，但也是最難實施的機制。例如，在運動功能的情況下，存活的上層神經(jīng)元的軸突和來自移植細(xì)胞的神經(jīng)元必須首先形成突觸。然后，這些連接的移植物神經(jīng)元必須向尾部延伸軸突并與前角神經(jīng)元和/或運動相關(guān)的中間神經(jīng)元形成突觸。考慮到這種再生方案的復(fù)雜性，完整的概念證明仍有待建立也就不足為奇了。

頸脊髓損傷的特異性

有很多原因可以解釋關(guān)于治療頸脊髓損傷的臨床相關(guān)報告的稀缺性：評估上肢功能的困難、呼吸障礙、脊髓休克，以及處理四肢癱瘓的復(fù)雜性，與倫理和護理問題相關(guān)。然而，頸脊髓損傷占脊髓損傷的60%并代表更嚴(yán)重的臨床狀況，因為它們會影響上肢和下肢。在脊髓損傷中，社會對治療的需求最高的是頸脊髓損傷。同時，在頸髓中，上肢受神經(jīng)支配的肌肉在每個髓段上分離得比較清楚。此外，由于上肢比下肢具有更多功能，ADL完全不同，具體取決于殘疾程度（圖2A）。例如，如果功能范圍擴展到C6，則可以駕駛汽車。頸脊髓的分段功能化是最有希望的目標(biāo)，因為重要的治療結(jié)果，例如臨床試驗中的ADL，可以通過相關(guān)髓段的輕微移動來實現(xiàn)。

( A ) 不同程度頸脊髓損傷的預(yù)期日常生活活動 (ADL) 子類別。與胸椎和腰椎損傷不同，脊柱損傷水平的細(xì)微差異會增加獨立的 ADL。

( B ) 真正的完全性頸髓損傷。神經(jīng)區(qū)穿過脊髓（灰色），但它周圍的可再激活組織（淺棕色）仍然存在。隨著可重新激活的組織因干細(xì)胞治療而變得有功能，患者的ADL有望增加。

我們已經(jīng)提到假完全損傷的存在，其中一些無功能但可重新激活的組織仍然存在，即使在功能完全損傷中也是如此。頸脊髓損傷包括不完全性損傷、假性完全性損傷和真性完全性損傷。如前所述，在不完全性和假性完全性損傷中，干細(xì)胞治療的機制預(yù)計主要涉及組織再激活神經(jīng)營養(yǎng)因子。例如，在MRI上觀察到殘留組織的ASIAA級患者，即對應(yīng)于假性完全損傷，通過施用BM-MSCs改善了受傷尾側(cè)的功能。當(dāng)考慮真正的胸腰椎脊髓完全損傷時，病變處沒有神經(jīng)組織，干細(xì)胞治療的功能恢復(fù)完全取決于中繼機制。相比之下，在真正的頸髓完全損傷中，功能性髓質(zhì)水平預(yù)計會通過使損傷顱側(cè)的可再激活組織功能化而擴大，這將直接導(dǎo)致ADL改善（圖2B）。

對于真正的完全損傷的再生治療，通常的目標(biāo)是恢復(fù)損傷尾側(cè)的功能。然而，在頸髓真正完全損傷的情況下，應(yīng)以適當(dāng)?shù)闹饕繕?biāo)評估臨床試驗的成功，例如損傷顱側(cè)功能水平的擴展和伴隨的ADL增加。

與改良康復(fù)相結(jié)合

已經(jīng)針對SCI進行了多項臨床試驗，但迄今為止，只有與康復(fù)相關(guān)的試驗取得了有益的結(jié)果。關(guān)于與干細(xì)胞療法聯(lián)合治療的比較臨床報告很少，因為在沒有康復(fù)的情況下治療SCI患者在倫理上是困難的。作為一項實驗研究，據(jù)報道，慢性期胸部SCI小鼠的NSPC移植和常規(guī)跑步機康復(fù)證明了后肢的功能恢復(fù)，表明在腰椎增大方面具有協(xié)同作用。已經(jīng)報道了旨在調(diào)節(jié)神經(jīng)回路的改良康復(fù)。對周圍神經(jīng)進行干預(yù)相對容易，并且已經(jīng)開發(fā)出用于功能性電刺激 (FES) 的可穿戴設(shè)備。FES檢測肌肉的輕微收縮并將其轉(zhuǎn)化為較大的刺激，輸入和輸出的重復(fù)循環(huán)增強了神經(jīng)回路。Robot Suit HAL（混合輔助肢體）使用外骨骼擴展這種反饋，并將肌電圖轉(zhuǎn)換為機械輸出以支持關(guān)節(jié)運動并通過來自感覺輸入的反饋增強神經(jīng)回路。此外，如上所述，神經(jīng)可塑性不僅存在于病變區(qū)域周圍，還存在于上級神經(jīng)回路周圍，并且有研究描述了使用腦電圖的神經(jīng)反饋的有效性。由于通過常規(guī)康復(fù)實現(xiàn)了協(xié)同效應(yīng)，因此將在未來的研究中描述干細(xì)胞療法與神經(jīng)反饋康復(fù)的組合方案。

結(jié)合電/磁刺激

電/磁刺激療法以及干細(xì)胞療法最近受到廣泛關(guān)注。不同類型的刺激已應(yīng)用于治療SCI：經(jīng)顱磁刺激、治療性電刺激、周圍神經(jīng)電刺激、經(jīng)皮神經(jīng)電刺激、硬膜下電刺激、硬膜外電刺激、硬膜下電刺激、深部腦刺激和模擬經(jīng)顱磁刺激的腦表面硬膜外電刺激.在硬膜外電刺激、硬膜下電刺激、椎管內(nèi)電刺激等直接刺激脊髓的方法中，刺激脊髓輸入輸出回路，促進姿勢和用力強度的調(diào)整，恢復(fù)自發(fā)運動控制。

SCI的并發(fā)癥，如屈肌痙攣、反射亢進和痙攣，也可能是由于損傷后失去皮質(zhì)輸入的運動神經(jīng)元的不適當(dāng)側(cè)芽和突觸增生引起的。電刺激可能會充分激活運動神經(jīng)元并抑制這種過度的傳入突觸發(fā)生。最初，這些電刺激治療被認(rèn)為可以修改和改善剩余的神經(jīng)回路。然而，有報道稱電刺激對ASIAA（完全損傷）患者有效，表明無功能但可重新激活的組織也被激活。有報告描述了磁刺激和干細(xì)胞療法的聯(lián)合作用，并且預(yù)計這些刺激與干細(xì)胞療法會產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。

結(jié)論

通過針對受傷區(qū)域周圍的非功能性可再激活組織，可以預(yù)期干細(xì)胞治療的不同再生機制，即使沒有直接移植到受傷區(qū)域。此外，由于頸椎SCI的治療具有很高的社會需求，并且根據(jù)其病理學(xué)可能有效，因此有必要以適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)進行研究。