Stem cell transplantation for spinal cord injury: prospects and issues

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.37.028

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: At present, spinal cord injury treatment is still the worldwide difficult problem. Using the method of stem cells transplantation to treat the spinal cord injury is one of the hotspots of spinal cord injury repair research in recent years.
OBJECTIVE: To summarize the progress and application prospects of stem cell transplantation in the treatment of spinal cord injury.
METHODS: A computer-based search of PubMed and CNKI was retrieved for relevant articles concerning stem cell transplantation for treatment of spinal cord injury published after 2000. The keywords were “spinal cord injury, stem cell, cell therapy” in English and Chinese, respectively. Meta-analysis and secondary literature were excluded as well as repetitive or old literature. Finally, 52 articles were included in result analysis.
RESULTS AND CONCLUSION: This article summarizes types and biological characteristics of stem cells, basic mechanism, techniques and therapeutic efficacy of stem cell transplantation in the treatment of spinal cord injury, and proposes the issues and prospects concerning the stem cells transplantation for treatment of spinal cord injury.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

全文链接：

Key words: stem cells, spinal cord injuries, stem cell transplantation, mesenchymal stem cells, embryonic stem cells, neural stem cells

CLC Number:

R318

Li Mai, Ao Li-juan . Stem cell transplantation for spinal cord injury: prospects and issues[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(37): 6059-6063.

Figures/Tables 1

2.1 干细胞的概念、种类及生物学特性 2.1.1 干细胞的概念干细胞是一类具有自我复制能力、多潜能的非特异性细胞，这种分化、复制能力贯穿于生物组织器官生长的始终。在一定条件下，它可以分化成不同形态、不同功能的细胞[1]。 2.1.2 干细胞的种类根据干细胞的起源，可将干细胞分为胚胎干细胞和成体干细胞或组织干细胞两类[2]。①胚胎干细胞主要是指来自囊胚内细胞团的细胞，有自我更新和多向分化潜能，可以分化为内、中、外3个胚层的各类细胞。②成体干细胞是指存在于已经分化组织中的未分化细胞，这类细胞能够自我更新并可特化形成相应组织的细胞。目前发现有神经干细胞、造血干细胞、骨髓间充质干细胞、皮肤表皮干细胞、肝脏干细胞、胰腺干细胞等。根据干细胞的分化潜能，可将干细胞分为全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞3类。①全能干细胞具有发育成完整个体的分化潜能。如受精卵，8个细胞期以前的卵裂球。②多能干细胞具有分化出多种细胞组织的潜能，但却失去了发育成完整个体的能力，发育潜力受到一定的限制。如骨髓多能造血干细胞是典型的例子，它可分化出至少12种血细胞。③单能干细胞即专能干细胞，这类干细胞只能向一种或两种密切相关的细胞类型分化。如上皮组织基底层的干细胞，肌肉中的成肌细胞等[3]。 2.1.3 干细胞的生物学特性干细胞的生物学特性主要表现为以下几个方面[4]：①具有自我复制能力和多向分化潜能。②干细胞本身不是处于分化途径的终端，即属非终末分化细胞。③终生保持未分化或低分化特征。④缺乏分化标记。⑤分化情况受内在机制以及所处微环境的影响。⑥通过对称性和非对称性分裂两种方式生长，对称性分裂是形成两个相同的干细胞，而非对称性分裂则由于细胞质中的调节分化蛋白不均匀地分配，使得一个子细胞不可逆的走向分化的终端成为功能专一的分化细胞，另一个保持亲代特征，仍作为干细胞保留下来，分化细胞的数目受分化前干细胞的数目和分裂次数控制。⑦具有分裂的慢周期性。⑧绝大多数干细胞处于G0期。⑨干细胞能无限的增殖分裂等。 2.2 干细胞治疗脊髓损伤的机制脊髓损伤的修复主要面临两大难点：①如何预防脊髓损伤引起的脊髓细胞继发性死亡，以及如何替代已死亡的脊髓细胞。②如何抑制损伤局部瘢痕形成，创造适合神经再生的微环境，促进和诱导神经生长[5]。干细胞修复脊髓损伤的机制还不完全清楚，可概括为以下几个方面：①通过分泌神经营养因子保护残存的神经元。②在脊髓特定的环境下，分化成神经元、少突胶质细胞以及星形胶质细胞，促进轴突再生并帮助其髓鞘化。③改善脊髓损伤后的局部微环境，减轻炎症反应。 2.2.1 分泌营养因子保护神经元神经营养因子是维持正常神经元分化、生长、存活和功能所必须的，而且在中枢神经系统修复中在保护神经元、促进轴突再生和突触的形成等方面都有着重要的作用。脊髓损伤后神经营养因子减少从而阻碍轴突再生。迁移至局部的干细胞及其分化的神经细胞可反应性分泌各种营养因子及生长因子，产生神经保护作用和促进局部微血管再生、神经再生和重构，从而起到治疗脊髓损伤的作用[6]。 2.2.2 包绕轴突形成髓鞘脊髓损伤后，神经脱髓鞘和髓鞘形成障碍将使损伤轴突的传导功能障碍。同时，轴突的进一步损伤，导致神经功能缺失和紊乱[7-9]。脊髓损伤后虽然部分轴突髓鞘再生[10]，可是脊髓损伤后少突胶质细胞大量死亡，少突胶质细胞前体细胞不能完全修复丢失的髓鞘，再生的髓鞘太少而不能产生明显的神经功能恢复[11]。干细胞向神经细胞分化起到细胞替代作用，通过与神经通路建立广泛的传入、传出联系，甚至重建神经环路和髓鞘再生等，诱导神经保护作用。 2.2.3 抑制炎症反应，减少瘢痕形成近年来研究表明，星形胶质细胞的早期增生不仅可分泌GDNF等营养因子，而且可减少出血、抑制炎症因子表达，减轻损伤局部的继发性炎症反应。在晚期，星形胶质细胞是构成胶质瘢痕的主要成分[12]，形成物理屏障，并分泌轴突生长抑制因子、硫酸软骨素等构成化学屏障[13-14]，阻碍轴突生长[15]。 2.3 干细胞移植技术 2.3.1 移植方式目前应用于临床的干细胞移植方法主要有如下4种：①脊髓损伤部位原位移植：在脊髓损伤手术治疗中，将干细胞直接移植到损伤区周围，可促进神经细胞功能的改善和恢复。但要把握手术时机并不太容易，尤其是急诊手术。②腰穿(经脑脊液)途径移植：可选择合适时机进行干细胞移植，通过椎体穿刺将干细胞注入脑脊液中，干细胞会迁移至脊髓损伤部位并修复受损的神经细胞。此种方法简便易行，可重复性好。③静脉途径移植：是指将体外分化增殖后的干细胞经静脉注入，随血液循环通过血-脊髓屏障到达病变部位。Modo等[16]以及Kim等[17]研究发现，静脉途径和蛛网膜下腔途径这两种移植方法均能改善神经功能，脑脊液内应用移植干细胞能更有效地播种在损伤部位，Vaquero等[18]认为脊髓损伤区域直接注射神经功能改善显著优于静脉注射。④动脉途径移植。Willing等[19]对短暂大脑中动脉闭塞的大鼠模型比较股静脉和纹状体两种移植方式时发现，经股静脉移植较纹状体内移植对大脑中动脉阻塞的功能恢复更有效。对于脊髓损伤是否如此还有待进一步证实。 2.3.2 移植时间由于脊髓损伤后，灰白质立即出现坏死、脊髓动脉栓塞、静脉瘀血、脊髓水肿，并且在2-4 h达到高峰，数天之内损伤脊髓可出现广泛坏死。12-14 d后，损伤脊髓内可出现囊肿，胶质细胞大量增生，瘢痕形成，严重破坏了脊髓的完整性，阻碍神经细胞再生和通过。因此，干细胞移植的最佳时间是在脊髓损伤后第9天左右，这时的微环境比较适合神经干细胞的生长和分化[20]。Carvalho等[21]的动物实验研究也提示，干细胞移植治疗慢性脊髓损伤动物行为学改善不明显。研究发现，病程在3个月以内者给予移植治疗效果略优于6个月以上者。Syková等[22]的基础研究也证明脊髓损伤后三四周内进行干细胞移植治疗，大鼠的运动功能显著改善。上述研究结果提示，移植治疗的时机对于神经功能恢复可能至关重要。 2.3.3 移植次数移植次数增加会增加到达受损组织的干细胞数量，提高治疗效果，但同时会增加二次损伤及患者的痛苦和经济负担，还可能造成医疗资源的浪费。Li等[23]用骨髓基质干细胞治疗大鼠脊髓损伤中发现，骨髓基质干细胞多次移植比单次更能促进脊髓损伤的恢复和神经功能的改善，但最佳次数为3次，超过3次并不随着次数的增加而提高神经功能的改善情况。所以，选择合适的移植次数是必要的，不仅可达到最佳疗效，还可优化配置医疗资源。 2.3.4 移植细胞种类目前用于脊髓损伤基础与临床研究的干细胞主要有神经干细胞、骨髓间充质干细胞、胚胎干细胞、脐带间充质干细胞和脐血间充质干细胞。神经干细胞：神经干细胞是指具有分化为神经元细胞、星形胶质细胞、少突胶质细胞的能力，能自我更新，通过不对称分裂产生除自身以外的其他细胞，并足以提供大量脑组织细胞的干细胞。 1992年Reynolds和Weiss等[24]首先从小鼠纹状体中分离获得神经干细胞。迄今为止，在哺乳动物胚胎的中枢神经系统大部分区域包括大脑皮质、侧脑室、室管膜下层、海马、纹状体等区域都存在神经干细胞，而且在成年动物的大脑皮质、海马齿状回、室管膜下层、纹状体、脊髓中央管室膜区嗅球中也有神经干细胞存在[25]。骨髓间充质干细胞：骨髓间充质干细胞是来源于胚胎发育早期中胚层的一类多能干细胞，由于细胞具有分化成间叶组织细胞的能力而得名。Woodbury在2000年首次报道骨髓间充质干细胞在适宜微环境下可分化为神经元细胞。它具有很强的自我更新能力和可塑性。在适宜的微环境下，可跨胚层分化为神经细胞、胶质细胞、脂肪细胞、成骨细胞和心肌细胞等，具有多向分化的潜能，可塑性很强[26-30]。胚胎干细胞：胚胎干细胞是来源于哺乳动物早期胚胎的内细胞团中的一种二倍体细胞，具有长期未分化增殖的能力，在特定条件下，能够向3个胚层的组织和细胞分化。由于内细胞团可以发育成完整的个体，因而这些细胞被认为具有发育全能性。当内细胞团在培养皿培养并传代用于研究时称为胚胎干细胞。胚胎干细胞具有多向分化能力，主要通过修复受损神经元轴突，形成完整的神经环路发挥作用。目前基因转染胚胎干细胞移植是研究的热点，已有细胞黏附因子11[31]、MASH1基因转染胚胎干细胞治疗脊髓损伤的报道[32]。脐带间充质干细胞：脐带主要由羊膜、脐动脉和脐静脉以及两者之间的华尔通氏胶(Wharton’s jelly)组成。2003年，Covas等[33-34]首次报道脐带中有存在干细胞的可能性，进一步研究发现脐带中含有丰富的造血、间充质、神经及内皮等多种干细胞[35]。其中间充质干细胞的来源分4种：①羊膜下区[36]。②脐静脉血管内皮下[37-38]。③脐血管周围。④华尔通氏胶[39]。脐带间充质干细胞易于分化为多种成熟细胞，其分化潜能介于成体干细胞和胚胎干细胞之间，既不会无限增殖又不会自发分化，无形成畸胎瘤的风险。在适宜的微环境下，脐带间充质干细胞有分化为多种神经元和胶质细胞的潜能，并且能分泌大量的神经营养因子，促进损伤脊髓组织的修复及崩解轴突的连续性重建[40]。脐血间充质干细胞：脐血干细胞是指人脐血中含有的大量早期造血干细胞。脐血干细胞较成人骨髓中的干细胞更原始，有更强的增殖分化能力。在不同实验条件下，脐血干细胞具有向包括神经细胞在内的各胚层细胞分化的潜能[41-42]。脐血间充质干细胞可分化为神经胶质细胞和神经元[43-44]、分泌多种神经营养因子[41]，从而促进脊髓断端残存神经细胞和轴突再生通过胶质瘢痕区。脐血来源广泛、采集方便，但目前关于脐血间充质干细胞的报道争议较多，主要是脐血干细胞多系分化潜能较弱，且有间充质干细胞表面标志表达缺失现象[40]。 2.4 干细胞治疗的疗效 Chopp等[45]给脊髓损伤1周的大鼠注入间充质干细胞，用BBB(Basso-Beattie- Bresnakan)评分评价损伤后的神经功能情况，结果发现，所有大鼠的神经功能缺损症状随着时间的推移均有不同程度的减轻，且植入组的情况明显好于对照组。Pallin等[46]从小鼠胚胎中提取神经干细胞后将其移植到T8-T9椎体水平背侧受损的小鼠脊髓中，12周后运用运动评分和足迹分析法观察小鼠的运动功能，同时采用组织学、免疫组织化学的方法对脊髓进行分析，结果示术后12周小鼠运动评分显著提高，组织学研究发现脊髓内存活的神经干细胞并向损伤区迁移。 Lee等[47]研究发现，将人间充质干细胞于大鼠脊髓损伤后1周植入损伤部位，2个月后实验组大鼠与对照组大鼠相比，其后肢功能获得了较高的BBB评分及痛觉程度。进一步的诱发电位检测显示，实验组体感诱发电位潜伏期较对照组明显缩短。Lim等[48]应用诱发电位技术发现，脐血间充质干细胞可以显著提高治疗后犬脊髓的神经传导速度，从而证明了治疗的有效性。Moviglia等[49]报道骨髓干细胞治疗2例慢性脊髓损伤的初步临床结果，移植后并接受Vojta和Bobath神经康复，1例19岁男性T8节段截瘫患者，6个月后运动平面恢复到S1，感觉平面恢复到S4水平；另1例为21岁女性C3-C5水平损伤，治疗前为四肢瘫，治疗6个月后运动和感觉平面恢复到T1-T2水平。Ichim等[50]将异基因体外扩增的脐带血CD34+细胞及脐带间充质干细胞分别于损伤后5，8，14个月鞘内注射给1例腰髓损伤患者，该患者肌力、排便及性功能改善，神经疼痛减轻，无不良反应发生。刘静等[51]将脐带间充质干细胞鞘内注射给22例脊髓损伤患者，治疗后1个月患者的痛觉、触觉、运动、日常生活活动能力评分均较治疗前有明显升高(P < 0.01)。"

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