骨髓间充质干细胞治疗缺血性脑卒中的多重作用机制

雷 廷 李桂宏 孙玉学 张超超 黄海燕

(吉林大学第一医院神经肿瘤外科，吉林 长春 130021)

骨髓间充质干细胞治疗缺血性脑卒中的多重作用机制

雷 廷 李桂宏 孙玉学 张超超 黄海燕

(吉林大学第一医院神经肿瘤外科，吉林 长春 130021)

骨髓间充质干细胞；缺血性脑卒中

骨髓间充质干细胞(BMSCs)治疗缺血性脑卒中已得到动物实验和临床研究的证实，但其复杂的作用机制尚待进一步研究。本文就BMSCs治疗缺血性脑卒中的移植途径，向脑缺血区域的定向迁移、免疫调制功能、抑制细胞凋亡、增强脑缺血区的血管发生、神经营养因子的分泌、分化替代及重建神经环路等多个方面进行文献综述。

1 BMSCs移植途径

BMSCs可通过颅内和血管内两种移植途径接种〔1〕。颅内途径即指立体定向注射。经纹状体直接注射能够使更多的移植BMSCs到达大脑损伤靶点，使用的细胞数量少，起效时间短是其特点〔2〕；脑室内注射是另外一种颅内途径，其成功依赖于移植细胞的迁移效果、对脑脊液的适应能力和穿过血脑屏障的生存力〔3〕。研究发现颅内移植由于存在侵入性，在梗死区的多次注射导致局部组织细胞机械性损伤〔4〕。

血管内途径包括静脉内和动脉内途径。与颅内途径相比，血管内途径能够使移植细胞在损伤部位更广泛的分布，所以可能对大面积脑损伤的效果更好〔5〕。研究显示组织损伤后能释放大量的炎性细胞因子〔6〕，而BMSCs则可表达多种趋化因子受体〔7〕，因此能被损伤或炎症区域吸引。脑缺血后，静脉内移植的BMSCs靶向迁移到大脑缺血中心区和梗死周边区。BMSCs静脉输注后多数在肺脏脉管系统被俘获，可能与BMSCs体积较大有关〔8〕。与颅内注射相比，静脉内注射虽相对简单且损伤更小，但到达缺血脑组织的细胞数量较少〔9〕。动脉内移植要比静脉的效果更好，减少其他组织捕获细胞的数量，在短时间内直接把细胞送达整个缺血损伤部位。有临床研究显示，BMSCs动脉内移植能使细胞到达距离损伤更近的动脉末端，因此这是一种安全可行的促进卒中患者神经功能恢复的方式〔10〕。

虽然动脉内途径和颅内途径均可减少其他组织捕获细胞的数量，但是这2种方法都存在侵袭性。BMSCs经不同途径移植治疗脑卒中的疗效及安全性仍有待确定。另外，移植的最佳时间窗仍不明确，可能是越早效果越好；最优注射剂量也在研究中〔11〕。

2 BMSCs治疗缺血性脑卒中的作用机制

2.1 BMSCs向脑缺血区域的定向迁移 通过活体显微或组织放射显影发现移植的BMSCs主要聚集在缺血周边区和脑室下区〔12〕。由于脑缺血梗死区小胶质细胞和星形胶质细胞可分泌基质细胞衍生因子(SDF)-1，而BMSCs可表达SDF-1的同源受体趋化因子受体CXCR-4，SDF-1和CXCR-4的相互作用可能使BMSCs向梗死区迁移〔13〕。也有研究证实，CXCR-4或SDF-1α的缺乏会显著降低BMSCs靶向迁移效果〔14〕。Wang等〔15〕认为BMSCs表达的CXCR-7和CXCR-4协同作用促进BMSCs的迁移，并且认为CXCR-7的作用比CXCR-4强。Zhang等〔16〕研究认为趋化因子CX3CL1/fractalkine通过CX3CR1活化Jak2-Stat5alpha-ERK1/2信号，触发整联蛋白依赖的结构重组促使BMSCs向缺血损伤脑组织趋化性迁移。说明BMSCs迁移是一个多因子共同作用的结果。但BMSCs具体是如何跨越血脑屏障的仍有待确定。

2.2 BMSCs具有免疫调制功能 BMSCs具有免疫调制功能，可以同时减弱先天性和适应性免疫反应，减轻中枢神经系统损伤。局部缺血性脑卒中诱发强烈的炎症反应导致白细胞向梗死区域募集〔17〕。体外实验显示当白细胞和BMSC共培养时，白细胞增殖减少，发生分化异常〔18〕。MSCs分泌的转化生长因子(TGF)-β能降低脑缺血区单核细胞趋化蛋白(MCP)-1水平，减少循环CD68+免疫细胞穿过受损的血脑屏障渗入到脑梗区域的数量，抑制脑缺血区的免疫反应〔19〕。另外，MSCs也可能通过降低小胶质细胞中STAT3的表达及磷酸化〔20〕，降低白细胞介素(IL)-23/IL-17的表达〔21〕，同时降低IL-1β、IL-6和肿瘤坏死因子(TNF)-α的水平〔22〕，发挥抑制免疫反应的作用。有研究证实BMSCs可升高IL-10并降低TNF-α，限制缺血后损伤〔23〕。移植的BMSCs抑制T细胞增殖，促进Treg细胞表型表达，非特异性的抑制CD4+和CD8+T细胞的产生〔24〕。MSC还能够通过下调巨噬细胞、B细胞、NK细胞和抗原提呈细胞的表达抑制炎症反应〔25〕。另外，MSC静脉途径移植时可能被肺脏捕获，动脉途径移植又会聚集在脾脏，但对大脑仍有免疫调制作用〔26〕。这说明移植的MSC对免疫功能的长远影响，但其免疫调制机制还不完全清楚。

2.3 BMSCs能有效抑制细胞凋亡 BMSCs移植能有效抑制缺血损伤半暗带的细胞凋亡。研究发现，BrdU-BMSCs移植治疗的脑卒中大鼠细胞凋亡减少且碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)表达增加。BMSCs移植后星形胶质细胞凋亡反应减弱〔27〕。应用人源BMSCs静脉内移植时检测到更少的凋亡细胞〔28〕。MSCs可能通过激活Akt依赖的抗凋亡级联反应〔26〕，降低caspase-3活性，降低Bax/Bcl-2比例，降低IL-1β、IL-6和TNF-α的水平〔29〕，抑制细胞凋亡，进而促进内源性神经干细胞和胶质细胞等的增殖〔30〕。

2.4 BMSCs能增强脑缺血区的血管发生 脑卒中缺血梗死区和周边区的血管发生在介导神经元的存活和再生中发挥重要作用。BMSCs移植能增强脑缺血区的血管发生，增加新生微血管的数量，显著改善神经血管的损伤〔31〕。BMSCs可分泌血管内皮生长因子(VEGF)、bFGF、胎盘生长因子(PIGF)等多种促进血管生成的细胞因子〔32〕。BMSCs除分泌生物活性分子促进血管发生外，其本身还能起到支撑作用，如支持周细胞、星形细胞和内皮细胞的交联，维持血脑屏障的完整性，在血管周围形成支持神经发生的微环境，参与促进神经功能恢复〔33〕。

2.5 BMSCs能够分泌多种神经营养因子 有研究〔31〕显示，缺氧条件下将BMSCs和皮质神经元共同培养后，BMSCs可分泌多种神经营养因子。为检测BMSCs分泌的神经营养因子的作用，培养来自大鼠的BMSCs，取培养基(Cm)对缺血卒中动物模型进行治疗，培养基能在增强神经细胞间的连接，促进卒中后功能恢复等方面发挥效能〔34〕。脑缺血大鼠移植BMSCs后，BMSCs能在移植早期发挥积极的神经营养支持作用〔32〕。BMSCs还能诱导中枢神经系统实质细胞分泌神经生长因子(NGF)、脑源性神经营养因子(BDNF)、胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)、表皮生长因子(EGF)、bFGF、胰岛素样生长因子(IGF)-1、肝细胞生长因子(HGF)、干细胞因子(SCF)等〔35〕，这些生物活性因子可协同作用促进脑卒中损伤的恢复。BMSCs能够正调节骨形态发生蛋白(BMP)-2/4，促进突触囊泡蛋白的表达〔36〕，而这些因子可促进脑缺血区星形细胞的分化，并提高缝隙连接蛋白(CX)-43的表达，加快脑内小分子交换，增强突触的效能〔37〕。由BMSCs直接或间接产生的生物活性分子可促进神经发生，提升脑白质的完整性，诱导突触发生。

2.6 BMSCs的分化替代及重建神经环路 体外研究的结果显示，BMSCs具有能力为多个胚胎系细胞的分化，包括神经元、神经胶质细胞和内皮细胞等。既往研究显示，BMSCs移植后，在缺血性脑卒中动物模型中枢神经系统检测到神经细胞和神经胶质细胞标志物〔38〕。有研究发现MSC不能表达功能性神经细胞的电压门控离子通道〔39〕。缺血性脑卒中动物模型最终的行为改善可能是基于神经系统的可塑性或者是内源性神经干细胞的活化迁移〔40〕。因此MSC直接分化为替代脑卒中后损伤的中枢神经系统细胞的可能性很小，或者说缺乏确切的证据。

BMSCs增强轴突的可塑性，重建神经回路可能是缺血性卒中后神经功能恢复的基础〔41〕。BMSCs由静脉途径移植后，大鼠纹状体、海马、胼胝体中轴突和髓鞘数量显著增高，缺血区神经元发出的轴突沿反应性星形细胞的放射性延伸方向生长〔42〕。BMSCs通过轴突萌发恢复不同脑区域的联系，显著增强大脑梗死周边运动皮质的存活，促进脑卒中后功能恢复〔41〕。BMSCs移植有修复缺血损伤的神经网状系统重建神经联接的潜能，而回路活性的恢复可能有助于提升感觉运动功能〔35〕。然而，BMSCs诱导突触再塑的分子机制还不是很清楚。

3 临床试验的疗效和安全性

一项应用BMSCs移植缺血脑卒中患者的研究中〔43〕，把缺血脑卒中患者随机分为实验组和对照组，实验组接受静脉灌注自体BMSCs，与不接受治疗的患者对照组相比，BMSCs显著的提高了患者改良的Rankin评分和Barthel指数，在随访中，没有发现比如静脉血栓栓塞、异常的细胞增殖、系统性恶性肿瘤、系统性感染、神经系统衰退等不良作用的证据〔44〕。这些数据为BMSCs移植治疗脑缺血卒中的安全性及改善卒中后功能提供了初步的支持。其他探究自体和异体BMSCs移植安全性和效能的临床试验，缩短BMSCs体外培养扩增周期方法，卒中后引入BMSCs时机的选择，不同应用剂量对治疗效能的影响等研究也都在进行。

综上所述，BMSCs能迁移并存活于脑缺血半球，创造有利于存活和再生的微环境来修复损伤的神经组织。BMSCs引发的抗炎反应能减轻神经水肿，免疫调制也减轻梗死区神经细胞及神经胶质细胞的凋亡。BMSCs诱导血管发生，改善大脑血液循环，促进神经组织修复。BMSCs促进有利作用细胞因子和神经营养因子的释放，给缺血半影区易损伤的神经元提供营养支持。BMSCs可能刺激局部轴突萌发，髓鞘再塑，促进内源性神经发生。BMSCs治疗机制的研究已经取得了很多成果，但是仍未完全阐明，尤其是神经再塑和血管发生的生物分子机制仍是待深入研究的方向。随着BMSCs移植治疗缺血性脑卒中的多重作用机制研究的不断深入，将为我们在脑缺血性疾病的治疗、促进脑缺血后神经功能恢复、改善其预后等方面提供更具价值的临床指导。骨髓间充质干细胞移植是治疗脑缺血的一个有希望的策略。

1 Guzman R,Choi R,Gera A,etal.Intravascular cell replacement therapy for stroke〔J〕.Neurosurg Focus,2008;24(3-4):E15.

2 Jin K,Sun Y,Xie L,etal.Comparison of ischemia-directed migration of neural precursor cells after intrastriatal,intraventricular,or intravenous transplantation in the rat〔J〕.Neurobiol Dis,2005;18(2):366-74.

3 Wang L,Lin Z,Shao B,etal.Therapeutic applications of bone marrow-derived stem cells in ischemic stroke〔J〕.Neurol Res,2013;35:470-8.

4 Walczak P,Zhang J,Gilad AA,etal.Dual-modality monitoring of targeted intraarterial delivery of mesenchymal stem cells after transient ischemia〔J〕.Stroke,2008;39(5):1569-74.

5 Gopurappilly R,Pal R,Mamidi MK,etal.Stem cells in stroke repair:current success and future prospects〔J〕.CNS Neurol Dis Drug Targ,2011;10(6):741-56.

6 Ahmadian Kia N,Bahrami AR,Ebrahimi M,etal.Comparative analysis of chemokine receptor's expression in mesenchymal stem cells derived from human bone marrow and adipose tissue〔J〕.J Mol Neurosci,2011;44:178-85.

7 Honczarenko M,Le Y,Swierkowski M,etal.Human bone marrow stromal cells express a distinct set of biologically functional chemokine receptors〔J〕.Stem cells(Dayton,Ohio),2006;24(4):1030-41.

8 Wang W,Jiang Q,Zhang H,etal.Intravenous administration of bone marrow mesenchymal stromal cells is safe for the lung in a chronic myocardial infarction model〔J〕.Regenerat Med,2011;6(2):179-90.

9 Chen J,Li Y,Wang L,etal.Therapeutic benefit of intravenous administration of bone marrow stromal cells after cerebral ischemia in rats〔J〕.Stroke,2001;32(4):1005-11.

10 Jiang Y,Zhu W,Zhu J,etal.Feasibility of delivering mesenchymal stem cells via catheter to the proximal end of the lesion artery in patients with stroke in the territory of the middle cerebral artery〔J〕.Cell Transplant,2013;22(12):2291-8.

11 Kawabori M,Kuroda S,Ito M,etal.Timing and cell dose determine therapeutic effects of bone marrow stromal cell transplantation in rat model of cerebral infarct〔J〕.Neuropathology,2013;33(2):140-8.

12 Yilmaz G,Vital S,Yilmaz CE,etal.Selectin-mediated recruitment of bone marrow stromal cells in the postischemic cerebral microvasculature〔J〕.Stroke,2011;42(3):806-11.

13 Wang Y,Deng Y,Zhou GQ.SDF-1α/CXCR4-mediated migration of systemically transplanted bone marrow stromal cells towards ischemic brain lesion in a rat model〔J〕.Brain Res,2008;1195:104-12.

14 孙 艳，何冬梅，张 洹.小鼠胎肝间充质干细胞在缺血脑组织中迁移机制的研究〔J〕.中国应用生理学杂志，2009;25(1):12-6.

15 Wang Y,Fu W,Zhang S,etal.CXCR-7 receptor promotes SDF-1α-induced migration of bone marrow mesenchymal stem cells in the transient cerebral ischemia/reperfusion rat hippocampus〔J〕.Brain Res,2014;1575:78-86.

16 Zhang Y,Zheng J,Zhou Z,etal.Fractalkine promotes chemotaxis of bone marrow-derived mesenchymal stem cells towards ischemic brain lesions through Jak2 signaling and cytoskeletal reorganization〔J〕.FEBS J,2015;282(5):891-903.

17 Kim JY,Kawabori M,Yenari MA.Innate inflammatory responses in stroke:mechanisms and potential therapeutic targets〔J〕.Curr Med Chem,2014;21(18):2076-97.

18 Sato K,Ozaki K,Oh I,etal.Nitric oxide plays a critical role in suppression of T-cell proliferation by mesenchymal stem cells〔J〕.Blood,2007;109(1):228-34.

19 Yoo SW,Chang DY,Lee HS,etal.Immune following suppression mesenchymal stem cell transplantation in the ischemic brain is mediated by TGF-β〔J〕.Neurobiol Dis,2013;58(1):249-57.

20 McGuckin CP,Jurga M,Miller A-M,etal.Ischemic brain injury:a consortium analysis of key factors involved in mesenchymal stem cell-mediated inflammatory reduction〔J〕.Arch Biochem Biophys,2013;534(1-2):88-97.

21 Ma S,Zhong D,Chen H,etal.The immunomodulatory effect of bone marrow stromal cells(BMSCs) on interleukin(IL)-23/IL-17-mediated ischemic stroke in mice〔J〕.J Neuroimmunol,2013；257(1):28-35.

22 Zhu Y,Guan YM,Huang HL,etal.Human umbilical cord blood mesenchymal stem cell transplantation suppresses inflammatory responses and neuronal apoptosis during early stage of focal cerebral ischemia in rabbits〔J〕.Acta Pharmacol Sin,2014;35(5):585-91.

23 Liu N,Chen R,Du H,etal.Expression of IL-10 and TNF-alpha in rats with cerebral infarction after transplantation with mesenchymal stem cells〔J〕.Cell Mol Immunol,2009;6(3):207-13.

24 Di Nicola M,Carlo-Stella C,Magni M,etal.Human bone marrow stromal cells suppress T-lymphocyte proliferation induced by cellular or nonspecific mitogenic stimuli〔J〕.Blood,2002;99(10):3838-43.

25 Marigo I,Dazzi F.The immunomodulatory properties of mesenchymal stem cells〔J〕.Semin Immunopathol，2011;33(6):593-602.

26 Li Y,Chopp M.Marrow stromal cell transplantation in stroke and traumatic brain injury〔J〕.Neurosci Lett,2009;456(3):120-3.

27 Ankrum J,Karp JM.Mesenchymal stem cell therapy:Two steps forward,one step back〔J〕.Trends Mol Med,2010;16(5):203-9.

28 Li D,Fang Y,Wang P,etal.Autologous transplantation of adipose-derived mesenchymal stem cells attenuates cerebral ischemia and reperfusion injury through suppressing apoptosis and inducible nitric oxide synthase〔J〕.Int J Mol Med,2012;29(5):848-54.

29 Liu Y,Zhang Y,Lin L,etal.Effects of bone marrow-derived mesenchymal stem cells on the axonal outgrowth through activation of PI3K/AKT signaling in primary cortical neurons followed oxygen-glucose deprivation injury〔J〕.PLoS One,2013;8(11):e78514.

30 Li Y,Chen J,Chen XG,etal.Human marrow stromal cell therapy for stroke in rat:neurotrophins and functional recovery〔J〕.Neurology,2002;59(4):514-23.

31 Chen J,Li Y,Zhang R,etal.Combination therapy of stroke in rats with a nitric oxide donor and human bone marrow stromal cells enhances angiogenesis and neurogenesis〔J〕.Brain Res,2004;1005(1-2):21-8.

32 Wakabayashi K,Nagai A,Sheikh AM,etal.Transplantation of human mesenchymal stem cells promotes functional improvement and increased expression of neurotrophic factors in a rat focal cerebral ischemia model〔J〕.J Neurosci Res,2010;88(5):1017-25.

33 Honmou O,Onodera R,Sasaki M,etal.Mesenchymal stem cells:therapeutic outlook for stroke〔J〕.Trends Mol Med,2012;18(5):292-7.

34 Tsai MJ,Tsai SK,Hu BR,etal.Recovery of neurological function of ischemic stroke by application of conditioned medium of bone marrow mesenchymal stem cells derived from normal and cerebral ischemia rats〔J〕.J Biomed Sci,2014;21(1):5.

35 Ishizaka S,Horie N,Satoh K,etal.Intra-arterial cell transplantation provides timing-dependent cell distribution and functional recovery after stroke〔J〕.Stroke,2013;44(3):720-6.

36 Zhang C,Li Y,Chen J,etal.Bone marrow stromal cells upregulate expression of bone morphogenetic proteins 2 and 4,gap junction protein connexin-43 and synaptophysin after stroke in rats〔J〕.Neuroscience,2006;141(2):687-95.

37 Xin H,Li Y,Chen X,etal.Bone marrow stromal cells induce BMP2/4 production in oxygen-glucose-deprived astrocytes,which promotes an astrocytic phenotype in adult subventricular progenitor cells〔J〕.J Neurosci Res,2006;83(8):1485-93.

38 Jiang W,Liang G,Li X,etal.Intracarotid transplantation of autologous adipose-derived mesenchymal stem cells significantly improves neurological deficits in rats after MCAo〔J〕.J Mater Sci Mater Med,2014;25(5):1357-66.

39 Hofstetter CP,Schwarz EJ,Hess D,etal.Marrow stromal cells form guiding strands in the injured spinal cord and promote recovery〔J〕.Proc Natl Acad Sci U S A,2002;99(4):2199-204.

40 Ding DC,Shyu WC,Chiang MF,etal.Enhancement of neuroplasticity through upregulation of β1-integrin in human umbilical cord-derived stromal cell implanted stroke model〔J〕.Neurobiol Dis,2007;27(3):339-53.

41 van Velthoven CT,van de Looij Y,Kavelaars A,etal.Mesenchymal stem cells restore cortical rewiring after neonatal ischemia in mice〔J〕.Ann Neurol,2012;71(6):785-96.

42 Liu Z,Li Y,Zhang ZG,etal.Bone marrow stromal cells enhance inter-and intracortical axonal connections after ischemic stroke in adult rats〔J〕.J Cereb Blood Flow Metab,2010;30(7):1288-95.

43 Bang OY,Lee JS,Lee PH,etal.Autologous mesenchymal stem cell transplantation in stroke patients〔J〕.Ann Neurol,2005;57(6):874-82.

44 Bhasin A,Srivastava MV,Kumaran SS,etal.Autologous mesenchymal stem cells in chronic stroke〔J〕.Cerebrovasc Dis Extra,2011;1(1):93-104.

〔2016-11-01修回〕

(编辑 李相军)

黄海燕(1963-)，男，主任医师，教授，博士生导师，主要从事缺血损伤后神经再生等研究。

雷 廷(1989-)，男，硕士在读，主要从事颅脑相关肿瘤研究。

R743

A

1005-9202(2017)06-1544-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.06.106