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干细胞移植治疗神经系统疾病:现状和未来展望

发表时间:2022-09-20 16:37

近年来,干细胞移植技术在神经系统疾病的应用不断在探讨,2022年,《biology》医学杂志刊发了《干细胞移植治疗和神经系统疾病:现状和未来展望》


干细胞移植治疗神经系统疾病:现状和未来展望


这篇文章总要综述突出了神经系统疾病可用治疗选择的范围,特别是干细胞移植治疗,这提供了新的希望。例如干细胞移植治疗。个体神经系统疾病的治疗与不同的病理生理条件相关,因此移植治疗必须在风险最小的最佳条件下进行。凭借出色的动物模型和人体试验中的小规模观察,干细胞移植的前景与日俱增。干细胞疗法提供了支持合理治疗目的的令人满意的数据


神经退行性疾病是一个全球性的健康问题,治疗选择不足,无法恢复受损的神经系统。随着技术的进步,健康科学家继续寻找治疗神经退行性疾病的新方法。神经元和神经胶质细胞丢失或受伤可导致多种神经系统疾病的发展,包括帕金森病、中风和多发性硬化症。



导致神经退行性疾病的主要因素是什么?


衰老?


衰老是一种生物学现象,在人类中,衰老通常与不良生理问题有关,包括神经系统疾病的发展。由于阻止轴突修复的抑制性微环境的生长,较老的神经系统的神经元再生能力较差。目前的研究旨在推广基于细胞的替代方法,包括一些已经在有限的临床试验中测试过的方法。


神经系统疾病可分为三种主要类型:


①与特定大脑区域神经元丢失相关的疾病,例如帕金森病 (PD) 和多发性硬化症 (MS);


②与急性损伤后的神经元丢失有关的疾病,例如中风;


③以及与细胞功能受损相关的疾病,例如癫痫。


导致大脑异常发展的病因通常是多因素的,包括衰老、环境因素、慢性压力、创伤性脑损伤和基因突变,例如在淀粉样前体蛋白 (APP)、早老素-1和-2中发现的基因突变,或载脂蛋白E (ApoE),它们都与神经退行性疾病的发展有关。



应用治疗神经系统疾病的各种干细胞的特性


胚胎干细胞和诱导多能干细胞:胚胎SCs (ESCs;图1) 长期以来一直用于许多神经退行性移植模型。2002年,Isacson证明未分化的小鼠ESC可以整合到大鼠PD 模型的纹状体中,分化为多巴胺能 (DA) 神经元,并恢复运动功能的丧失。


不同类型的干细胞

图1. 不同类型的干细胞


在神经病理学的动物模型中,iPSC和ESC之间的相似性使得这两种细胞类型都非常适合类似的应用。人类iPSC已被证明可以分化为DA前体细胞并重新定位到PD啮齿动物模型的黑质中,在那里它们长期进一步发展为DA神经元并融入脑实质。然而,与ESC相比,iPSC呈现出更显着的DA神经元特异性标志物表达水平,这表明 iPSC相关疗法可能代表了发展PD特异性治疗的可行途径。


多能干细胞作为细胞替代品的重要性:人类iPSC是产生蛋白质特异性和疾病特异性多能细胞的重要来源。将分化的iPSCs用于神经退行性疾病的体外研究代表了一种有希望的方法来了解驱动这些疾病的机制,因为原代人类神经元不容易用于实验(图2)。


多能干细胞作为细胞替代品

图2. 多能干细胞作为细胞替代品


基于细胞的分析,包括MSC的使用,已经在临床前和临床上进行了检查。许多SC疗法被认为是通过用健康的神经元代替退化的神经元来治疗疾病(图3)。


帕金森病的干细胞分析

图3. 帕金森病的干细胞分析


神经干细胞:在妊娠9.5到12周之间,人类胚胎的端脑和间脑包含具有基础SCs的所有属性的细胞。它们以足够快的速度繁殖,可用于治疗患有各种疾病的人类患者。这些细胞能够分化成神经元(具有生理电活动)、星形胶质细胞和少突胶质细胞,类似于观察到的啮齿动物神经干细胞的能力


许多神经系统疾病的动物模型已经用NSCs得到了有效的治疗。


间充质干细胞:间充质干细胞 (MSCs) 可以从各种分化组织中分离出来,包括脂肪、韧带、骨髓基质细胞、牙髓、皮肤和胎儿附件。与ESCs或iPSCs相比,MSCs有一些缺点;例如,在体外和体内移植后,随着年龄的增长,MSCs的数量减少、增殖能力下降和分化能力下降。迄今为止,尚未报道MSCs自由分化的能力,2005年发表的一份报告最终在2010年被撤回。


骨髓间充质干细胞:骨髓间充质干细胞(BMSCs)可在体内分化成脂肪、韧带、骨和大多数骨髓中发现的基质细胞,在保护造血干细胞、调节造血微环境、根深蒂固的骨再生和生长方面发挥着重要作用。心肌梗塞 (MI) 会导致长期的心肌细胞损伤。由于其多能分化潜能、最小的免疫原性和出色的可转移性,BMSCs可作为治疗心血管疾病的合适种子细胞


脐带血干细胞:体外研究表明,脐带血(UCB)-MSCs具有广泛的文化记忆,可以大规模开发,不发生衰老,影响更显着。然而,UCB-MSCs的成骨潜力低于BMSCs。与BMSCs相比,UCB-MSCs的潜在用途仍然存在争议,并且这些细胞尚未在体内进行评估以用于骨恢复。最广为人知的儿童瘫痪原因是脑瘫,目前尚无治愈方法。目前临床试验正在探索UCB-MSCs在治疗儿童脑瘫性瘫痪中的应用。尽管将UCB-MSCs用于神经保护和神经再生目的令人难以置信



移植干细胞在神经再生中的新机制


移植细胞对身体的影响很多,可归因于多种因素,包括为内源性细胞提供支持的新细胞的整合和免疫调节作用。将移植物衍生的神经元成功整合到宿主网络中可以修复受损的大脑区域并恢复行为异常。在脑移植手术后观察到的患者行为恢复被假设是由于大脑内建立了新的突触连接。


在一项涉及PD患者的研究中,研究人员发现,移植后24年,检测到移植物衍生的DA神经元特异性神经肽揭示了壳核的神经支配。神经胶质损伤与各种疾病有关,包括中风、MS和阿尔茨海默病 (AD),并且已经检查了这些细胞的替代,具有显着的阳性结果(在“神经胶质细胞移植”部分中有更详细的描述)。移植细胞可以通过分泌神经营养因子(包括脑源性神经营养因子(BDNF)、神经生长因子(NGF)和神经胶质细胞源性神经营养因子(GDNF))来支持宿主神经元的存活和恢复。已知可促进宿主神经元存活并促进移植细胞存活、迁移和分化 。


另一个关键的治疗机制涉及移植的SC与大脑中免疫系统之间的相互作用。一些研究表明,SC移植可减少神经炎症,导致神经元死亡。



干细胞疗法治疗神经系统疾病的临床研究进展

多发性硬化症HSCT的患者选择


造血干细胞移植(aHSCT)代表了研究最全面的综合疾病改善疗法 (DMT),具有有限的毒性。aHSCT主要用于治疗MS,作为一种抗炎和免疫调节疗法,得到大量科学证据的支持;但是,必须耐受aHSCT才能有效。已经描述了对年轻患者的有利影响,包括更短的病程、更好的扩展残疾状态量表 (EDSS) 评分、炎症性疾病的持续性降低以及其他合并症的缺乏。进展评估必须评估进展和妥协,例如损伤稳定的回归或新神经系统疾病的发展。


aHSCT在患有RRMS的受试者中比患有SPMS或PPMS的受试者更有效。


干细胞疗法治疗阿尔茨海默病


各种干细胞已被探索用于治疗目的,包括ESCs、iPSCs、BMSCs 和ADMSCs。源自SCs的神经元可以整合到宿主大脑的现有神经网络中。在动物模型中,SC移植会导致乙酰胆碱水平升高,从而增强认知和记忆力。ESC衍生的NPC可分化为星形胶质细胞或神经元。人类iPSCs是由皮肤细胞产生的,可以分化成神经细胞。一项研究表明,由家族性AD患者的成纤维细胞产生的iPSC可以分化为神经元并增加淀粉样蛋白β (Aβ42) 的唾液水平。


此外,γ-分泌酶抑制剂受到多样化神经元产生的粘液中的Aβ的影响,这表明这些神经元在用γ-分泌酶抑制剂治疗时具有生理反馈反应。


表1. 用于治疗阿尔茨海默病的干细胞疗法的临床试验


表1. 用于治疗阿尔茨海默病的干细胞疗法的临床试验



用于治疗ALS的干细胞:当前发展


ALS是一种以严重运动神经元退化为特征的神经退行性疾病,导致症状包括肌肉退化、虚弱、肌束颤和痉挛。ALS是世界上最普遍的运动神经元退行性疾病,由于运动神经元逐渐丧失和骨骼肌无力,尤其是负责呼吸的肌肉,患者往往会在发病后3至5年内死亡,从而导致ALS引起的死亡。


鉴于SC具有卓越的可塑性和分化成各种神经元谱系的能力,一种有希望的ALS替代疗法是SC疗法。因此,SCs代表了细胞替代的宝贵来源。当局部或全身移植时,干细胞可以迁移到与疾病相关的位点以发挥治疗作用。几种干细胞可用于改变现代细胞疗法中的疾病病理生理学,包括减缓或阻止疾病进展,可能是通过为周围细胞提供防御因子


移植神经干细胞治疗脑缺血性中风


缺血性中风是导致死亡和受伤的常见原因,没有可用的治疗方法。SC移植代表了一种潜在的治疗途径,因为中风会导致不可逆的神经元损伤和神经组织损伤。


神经干细胞(NSCs)是一种独特的干细胞群,仅在CNS中形成,可以分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞,可以弥补内源性神经元的缺陷,提高炎症微环境中的细胞存活率。


在缺血性中风的体外和体内模型中,Sun等人研究了源自两种SCs、NSCs和hiPSC衍生的心肌细胞的外泌体的抗缺血作用。


体外缺血性损伤由原代小鼠星形胶质细胞或神经元细胞中的氧葡萄糖剥夺 (OGD) 诱导,然后进行外泌体治疗。在OGD暴露的星形胶质细胞中,NSC衍生的外泌体提供了实质性的保护。总体而言,这些发现表明,从无细胞治疗方法中获得的SC衍生外泌体可用于治疗中风相关损伤。用于治疗缺血性和出血性中风模型的细胞移植分析如表2所示


表2. 缺血性和出血性中风模型中的细胞移植医疗分析


表2. 缺血性和出血性中风模型中的细胞移植医疗分析


中风临床试验中的干细胞移植


探索干细胞移植治疗中风疗效的个别实验正在进行中。最近的研究证实,成功移植到中风受损大脑区域的人类神经元细胞在单个患者的初始移植后可存活长达2年。在PD患者中进行的其他细胞移植研究已经注意到移植后移植细胞的存活时间长达14年 。


干细胞移植需要在转化为实际临床应用之前进行额外的研究。开发基于干细胞的中风治疗范式需要专家、临床医生、管理人员和行业代表通过临床前和临床评估建立指南。2009年制定了一套基于干细胞研究的基本指南,随后在2011年初进行了更新。对现有中风治疗干细胞研究的分析提高了临床转化治疗策略出现的可能性。使用干细胞疗法治疗中风的临床试验见表3。


表3. 使用干细胞治疗的中风临床试验


表3. 使用干细胞治疗的中风临床试验

表3. 使用干细胞治疗的中风临床试验



干细胞在神经炎症中的神经保护作用


神经系统问题会扰乱大脑和脊髓的正常功能,是全球死亡和残疾的主要原因。言语、记忆、感觉运动和自主神经功能都受到中枢神经系统功能障碍的影响,这会对患者的生活质量产生重大影响。SCs 在神经炎症中的神经保护作用见表4。


表4. 重要的神经炎症介质


表4. 重要的神经炎症介质


细胞移植的成功及其治疗神经炎症的功效取决于几个参数,包括给药途径、剂量和时间,但使用的细胞类型是最重要的。


重要的是,干细胞疗法提供了一种特别适合对抗急性和慢性炎症的治疗模式。慢性干细胞疗法旨在通过刺激血管生成、神经发生、血管生成和突触发生等再生机制来激活大脑再生和再灌注。它可以恢复大脑基础设施,例如BBB,并隔离炎症损伤,例如氧化应激和线粒体损伤。


干细胞疗法有可能通过缓和内源性神经炎症和刺激神经再支配来支持受损的大脑从缺血性或出血性事件中愈合,从而解决神经炎症患者已知的亚急性和慢性治疗中令人震惊的阴郁真空。


在阿尔茨海默病动物模型中,移植的NSC可减少神经炎症、增加神经发生并恢复认知能力。此外,NSC植入减少了NSC和内皮细胞之间的交叉通讯。因此,基于NSC的阿尔茨海默病治疗可以提供最佳的神经微环境,以防止神经退行性变并确保成熟神经元的存活。


MSC移植到AD模型中通过改变神经炎症、促进内源性海马神经发生、减少神经细胞凋亡和增强信号通路显示出神经保护潜力。例如,将骨髓来源的MSCs (BM-MSCs) 移植到小鼠AD模型中,可以减少神经炎症并改善神经病理学和认知能力。


Neelam K. Venkataramana及其同事进行的一项研究表明,干细胞具有有益的作用。7名PD患者,年龄22至62岁,平均病程14.7-7.56年,参加了单剂量、单侧自体骨髓间充质干细胞移植(BM-MSCs)的前瞻性、非对照试点研究。经过36个月的随访,7名患者中有3名的统一帕金森病评定量表 (UPDRS) 评分显着提高了38%


干细胞疗法可能能够帮助ALS患者更长寿。这是通过干细胞专门研究特定支持细胞如星形胶质细胞和小胶质细胞(中枢神经系统内的细胞)的能力来实现的。这些支持细胞可能会阻止中枢神经系统中运动神经元的退化。



关于基于hESC的疗法的伦理问题和安全问题


人类胚胎干细胞 (hESC) 源自植入前胚胎的多能内细胞团。八聚体限制记录因子3/4 (OCT3/4)、阶段明确缺乏抗原3和4(SSEA-3和SSEA-4)、TRA-1-60、TRA-1-81和酸中和剂磷酸酶代表标准多能SC标记,与增强的端粒酶发育水平和正常核型相关。在体外和体内条件下,hESC可以发育成三个胚层(内胚层、中胚层和外胚层)和任何细胞类型中的任何一个。随着细胞替代技术的改进,hESC有望最终治疗人类疾病。


细胞移植的手术安全性


ALS患者的受损脊髓可以耐受连续显微注射到颈椎和胸腰椎区域。患有超越性延髓ALS或持续免疫抑制的患者可能容易受到围手术期风险增加的影响。


此外,定期临床前检查有望创造


(1)确定使用免疫抑制剂的必要性的能力,

(2)配备区分植入后植入、局限性和功效的成像方式,以及

(3)改进识别同种异体的方法人类接受者的脊髓中的人类移植物。我们最近获得了FDA的批准,可以进入II期初步试验,该试验将确定毒性极限并确ALS脊髓的耐力极限。


此外,本研究将评估可以承受的可修改治疗参数的范围(例如,输液次数、输液部位、输送的完整部分)。当表征时,由此产生的多队列初步研究将评估最佳程序和这种治疗方法的可行性。ALS脊髓可以作为确定脊髓弹性的理想环境,同时确定提供基于SC的治疗的最佳方法并评估表明成功植入的体征和症状。长期目标将集中于临床批准一种聚焦显微注射方法,以将基于SC的疗法应用于广泛的脊髓疾病。


优化神经干细胞移植的治疗效果


尽管临床前研究已经证实NSC移植治疗缺血性卒中的有效性和安全性,但仍有一些争论点。NSC在体内的植入和存活率低于5%,这表明在将这种方法转化为临床应用之前应解决各种问题。必须优化的关键问题包括移植后的体内能力和NSC分化。内源性和外源性NSC比体内的神经元更容易分化成神经胶质细胞。不同的研究试图通过许多方法在蛋白质水平上调整NSC的含量,例如病毒转染、热预处理、抗体处理和细胞因子处理,以确定这些效应中的任何一种是否可以将分化转变为神经元。


干细胞移植治疗神经系统疾病:现状和未来展望


结论


干细胞移植技术为很多神经系统疾病带来了新的方法,除了细胞替代之外,干细胞通过免疫调节、营养作用、神经保护或血管发生的刺激都有一定的临床应用价值。这种细胞疗法代表了一种潜在的途径,患者最终可能通过该途径获得过上更正常生活的能力。


目前全球都在努力建立监管准则和标准,以确保患者的安全。在不久的将来,干细胞疗法将对人类健康产生重大影响。


参考资料:Biology 2022, 11(1), 147; https://doi.org/10.3390/biology11010147

https://www.mdpi.com/1422-0067/23/17/10138/htm

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