中樞神經(jīng)系統(tǒng) (CNS) 創(chuàng)傷是影響數(shù)百萬人的全球性健康問題。中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷，即創(chuàng)傷性腦損傷 (TBI) 和脊髓損傷 (SCI)，會導(dǎo)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(chǎn)生多種細胞譜系的細胞類型。

干細胞療法修復(fù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)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(jīng)系統(tǒng) 創(chuàng)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(xiàn)結(jié)構(gòu)和/或功能改善的治療機制通常尚不清楚。用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷的干細胞療法可分為兩個主要概念，即外源性神經(jīng)干細胞和神經(jīng)祖細胞的移植以及內(nèi)源性干細胞和祖細胞的募集。

在本綜述中，我們總結(jié)了創(chuàng)傷性腦損傷和脊髓損傷的病理學和病理生理學。在此基礎(chǔ)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(nèi)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(chuàng)傷影響著全世界數(shù)百萬人，往往會給患者和家屬帶來嚴重后果。根據(jù)2016年全球疾病負擔研究，2016年創(chuàng)傷性腦損傷 (TBI) 發(fā)病率為2710萬 (2430-3030萬)，脊髓損傷 (SCI) 發(fā)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(chuàng)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(shù)”略少于SCI（810萬vs950萬），這表明SCI對患者、看護者和醫(yī)療保健系統(tǒng)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?nèi)匀粵]有任何治療方法可以有效地預(yù)防創(chuàng)傷后的損傷過程或替換丟失的組織。然而，細胞療法的發(fā)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(chuàng)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(fā)治療的策略。

中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷的癥狀和病理

嚴重的中樞神經(jīng)系統(tǒng) (CNS) 創(chuàng)傷會對多種關(guān)鍵功能產(chǎn)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(xiàn)出廣泛的運動、感覺、記憶、認知、執(zhí)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(xiàn)不同程度的腸道和膀胱失禁、性功能障礙、自主神經(jīng)反射異常、痙攣和神經(jīng)源性疼痛。

TBI和SCI在急性期早期（0-2天）導(dǎo)致細胞壞死。神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞的原發(fā)性變性是由于組織中的神經(jīng)和血管結(jié)構(gòu)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(xiàn)第一波炎癥細胞，然后在亞急性期（2-14天）發(fā)生繼發(fā)性變性。繼發(fā)性變性是由細胞成分的釋放、急性炎癥和缺血引發(fā)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(dǎo)致進行性退化。因繼發(fā)性變性造成的組織損失通常超過原發(fā)性變性。這與大多數(shù)治療策略有關(guān)，因為如果預(yù)防退化級聯(lián)，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(huán)境主要是有害的，這使得開發(fā)不干擾內(nèi)源性修復(fù)機制的療法（包括細胞療法）變得更加容易。

中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷的部位

討論細胞治療策略時，組織病變的位置至關(guān)重要。脊髓損傷主要是一種局部損傷，而中度至重度創(chuàng)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(dǎo)致原發(fā)性和繼發(fā)性退化。然而，TBI的退化挫傷部位往往更多，而且通常發(fā)生在原發(fā)性挫傷的對側(cè)（“對沖”），因為大腦會撞擊顱骨內(nèi)表面并發(fā)生變形。顱骨的撞擊導(dǎo)致壓力波迅速穿過大腦，導(dǎo)致對沖部位出現(xiàn)明顯的負壓，即所謂的對沖空化，從而導(dǎo)致廣泛的退行性變化。

此外，由有害的加速/減速力和神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)結(jié)構(gòu)剪切引起的彌漫性軸突損傷 (DAI) 會導(dǎo)致白質(zhì)發(fā)生廣泛的退行性變化，通常與長時間昏迷有關(guān)。因此，嚴重TBI后的死亡率相對較高，而SCI患者通?？梢源婊睢Ｖ匾氖?，TBI和SCI中的組織損失是原發(fā)性和繼發(fā)性退化的綜合結(jié)果。

在嚴重TBI中，通常有多個實質(zhì)損傷區(qū)域，原發(fā)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(fā)性變性導(dǎo)致的細胞全壞死外，靠近原發(fā)性變性的受損組織中還發(fā)生繼發(fā)性變性，表現(xiàn)為軸突損傷（3）和神經(jīng)元凋亡和壞死。在更遠處的白質(zhì)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?yún)^(qū)域全壞死，經(jīng)過該區(qū)域的上升和下降軸突變性（5）

繼發(fā)性變性發(fā)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(xiàn)出廣泛的脫髓鞘（6）

中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷的潛在細胞療法

中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷是目前無法治愈的疾病，哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)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(fā)中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)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(lǐng)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(nèi)源性）。由于大多數(shù)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(yōu)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(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷的疾病

30多年來，細胞移植作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷的一種可能治療方法已被廣泛研究。潛在的假設(shè)是，移植細胞

(1) 分化為功能性神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞、替代丟失的組織并恢復(fù)功能網(wǎng)絡(luò)，或

(2) 提供抑制退化、修復(fù)受損中樞神經(jīng)系統(tǒng)微環(huán)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(jīng)系統(tǒng)受益。神經(jīng)干細胞 (NSC) 和神經(jīng)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(diào)節(jié)免疫機制的能力也是如此。為了繼續(xù)開發(fā)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(dǎo)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(jīng)元、少突膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)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(nèi)源性星形膠質(zhì)細胞 (2) 也會出現(xiàn)這種情況。生長因子的釋放可以支持受損的神經(jīng)元 (3) 并增強軸突再生 (4)。來自分化NPC的神經(jīng)元有可能連接受傷區(qū)域，在退化區(qū)域傳遞神經(jīng)元信號 (5)，而NPC衍生的少突膠質(zhì)細胞可以使脫髓鞘軸突重新髓鞘化 (6)。所有內(nèi)源性細胞均以灰色表示，而移植的NPC及其分化后代則根據(jù)細胞類型以顏色表示。

治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷的干細胞有哪些？

• 胚胎和胎兒神經(jīng)干細胞和祖細胞
• 誘導(dǎo)性多能干細胞 (iPSC)
• 間充質(zhì)干細胞（MSC）

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷中募集內(nèi)源性干細胞和祖細胞

盡管已開展的移植研究為中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷提供了一些有希望的結(jié)果，但諸如手術(shù)并發(fā)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(nèi)源性NSC和NPC及其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)再生中的作用的發(fā)現(xiàn)為中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)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(jīng)系統(tǒng)中，來自大腦和脊髓離散區(qū)域的細胞可以在體外自我更新并分化為神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞，這表明在發(fā)育期之后中樞神經(jīng)系統(tǒng)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(jīng)祖細胞如何促進SCI和TBI后的恢復(fù)。自2005年以來，可以使用基于Cre/loxP系統(tǒng)的譜系追蹤技術(shù)在體內(nèi)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(jīng)系統(tǒng)損傷后的潛力。

大腦中的內(nèi)源性神經(jīng)干細胞和祖細胞

在成人大腦中，內(nèi)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(jīng)發(fā)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(jīng)膠質(zhì)細胞而不是神經(jīng)元。一些實驗研究表明，實驗性TBI后海馬神經(jīng)發(fā)生增加，這似乎對海馬的反應(yīng)性可塑性以及TBI后的認知恢復(fù)很重要。

脊髓內(nèi)源性神經(jīng)干細胞和祖細胞

與大腦相反，在正?；蚴軅牟溉閯游锛顾柚袥]有明顯的神經(jīng)發(fā)生證據(jù)。使用譜系追蹤小鼠模型，發(fā)現(xiàn)中央管內(nèi)壁的室管膜細胞在體外可以自我更新并分化為神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞，但在健康條件下在體內(nèi)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(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞（但不會分化為神經(jīng)元），并遷移到病變部位促進傷口愈合。因此，調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細胞或內(nèi)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(fù)至關(guān)重要，因為它有助于神經(jīng)膠質(zhì)瘢痕形成和神經(jīng)營養(yǎng)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(xiàn)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(guān)鍵問題是“何時？”和“在哪里？”何時治療與治療時間窗口有關(guān)，這取決于所討論療法的主要治療效果。

大多數(shù)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(guān)注慢性治療。處于急性/亞急性期的患者可能在醫(yī)學上不穩(wěn)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(tài)來決定潛在的危險治療。

患者在前6-12個月內(nèi)會自發(fā)好轉(zhuǎn)，因此急性干預(yù)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(nèi)體外擴增iPSC衍生的NPC。對于處于慢性期且癥狀更穩(wěn)定的患者研究，治療組可以小得多，但統(tǒng)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(shù)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(zhì)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(guān)注的問題。例如，在已發(fā)表的SCI中MSC臨床試驗中，使用的注射次數(shù)不同，有的在病變區(qū)域內(nèi)和/或上方注射，有的在椎管內(nèi)和鞘內(nèi)細胞注射相結(jié)合，甚至椎管內(nèi)和靜脈注射相結(jié)合，因此很難得出與植入部位相關(guān)的機制結(jié)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(zhuǎn)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(jié)論

經(jīng)過數(shù)十年的研究，中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)傷仍然無法治愈。然而，大量已發(fā)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(xù)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(diào)節(jié)內(nèi)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(fù)神經(jīng)回路并促進功能恢復(fù)。

干細胞療法為治療目前無法治愈的腦和脊髓創(chuàng)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(yǎng)中產(chǎn)生并移植到選定區(qū)域，并且有對損傷有反應(yīng)并可用于治療的內(nèi)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(yīng)該關(guān)注的內(nèi)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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