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《前沿》子刊神经科学报道!诱导多能干细胞治疗缺血性中风

发表时间:2022-10-06 23:00

介绍:中风是与高残疾和死亡率相关的主要中枢神经系统疾病之一,大约80%的病例是缺血性中风。虽然目前临床上针对缺血性脑卒中患者的治疗方法有很多,包括抗血小板聚集、抗凝、改善微循环、改善脑代谢等,但这些方法对缺血区坏死的神经细胞并没有有效的再生修复作用。


标准治疗方法是使用重组组织纤溶酶原激活剂 (rt-PA) 或进行机械血栓切除术以恢复血流。然而,这些治疗有一定的局限性。rt-PA的有效治疗时间窗为4.5h大动脉闭塞患者可在症状出现6h甚至超过24h内行取栓治疗。然而,在最近的机械取栓试验中,近60%的患者在治疗后3个月没有实现功能独立。当发生缺血性中风时,在梗塞区域可见各种细胞的凋亡或坏死。因此,理想的治疗方法是植入某种类型的细胞来替代受损细胞。


《前沿》子刊神经科学报道!诱导多能干细胞治疗缺血性中风


近年来,干细胞移植技术已成功应用于心脏病建模、糖尿病、黄斑变性、脊髓损伤、软骨再生和移植物抗宿主病。干细胞移植也逐渐被考虑用于治疗一些神经系统疾病,例如阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症、亨廷顿病和缺血性中风


2022年4月13日,北京大学邓宏魁研究团队在国际学术期刊Nature杂志在线发表了题为“Chemical reprogramming of human somatic cells to pluripotent stem cells”的研究论文,首次在国际上报道了使用化学小分子诱导人成体细胞转变为多潜能干细胞这一突破性研究成果。


2021年郑州大学第一附属医院神经内科在《Frontiers》杂志子刊神经科学前沿发表了一篇名为诱导多能干细胞治疗缺血性中风》的文章,在这篇综述中,总结了在缺血性卒中细胞疗法发展方面取得的进展。我们特别关注诱导多能干细胞(iPSCs)治疗缺血性脑卒中的机制、现状、临床应用、发展限制和未来前景


《前沿》子刊神经科学报道!诱导多能干细胞治疗缺血性中风



干细胞的当前应用


干细胞移植技术作为治疗缺血性中风的新选择具有吸引力,它利用不同的细胞来源,包括胚胎干细胞 (ESCs)、神经干细胞 (NSCs)、间充质干细胞 (MSCs)、脐带血细胞、脂肪来源的MSCs、牙干细胞、iPSCs和一些永生化细胞系;该领域的最新研究主要集中在前三种干细胞类型上。在这里,我们讨论了不同干细胞类型在缺血性中风中的当前应用,尤其是iPSC治疗。



缺血性中风中的胚胎干细胞 (ESC)


胚胎干细胞是一种多能细胞,来源于植入前胚胎的内部物质,具有分化能力。它们能够形成特定的神经组织,例如神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞。


因此,胚胎干细胞被认为是用于神经疾病治疗的潜在和理想的移植细胞来源。基于ESC的细胞疗法已被证明不仅可以促进结构修复和功能恢复,还可以减少缺血性中风小鼠模型中的梗塞面积。将小鼠ESCs移植到严重局灶性缺血大鼠皮层后,病变区域可发现表达神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞和内皮细胞等细胞表面标志物的ESC衍生细胞;此外,移植过表达Bcl-2的ESC进一步提高了存活率、神经元分化、结构修复和功能结果。此外,小鼠ESC的脑内移植可能对局灶性缺血大鼠的运动和感觉恢复以及梗塞面积减小具有积极作用。


从伦理的角度来看,有限的来源和相关的恶性转化的高发生率限制了胚胎干细胞的广泛应用。因此,ESC在中风治疗中的应用研究非常有限。



缺血性中风中的神经干细胞 (NSC)


在发现NSC之前,神经发生是不可能的,NSC具有自我更新和起源神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞的能力。许多研究已经确定大脑不同区域存在多能和自我更新的NSCs,包括海马齿状回的颗粒下区和侧脑室的脑室下区,以及成人大脑中内源性神经发生的发生。研究人员发现,局灶性脑缺血1周后移植胎儿新皮质组织可改善行为结果并减少继发性丘脑萎缩。


进一步的研究表明,移植的人类胎儿NSC能够在缺血性中风损伤的大鼠中存活、迁移和分化。在模型建立后48小时,将人类胎儿NSC植入大脑中动脉闭塞 (MCAO) 大鼠模型的同侧纹状体,并在6周和14周进行行为评估。结果表明,移植的人神经干细胞在所有大鼠中均存活并成功分化为成神经细胞或成熟神经元;移植NSC 的大鼠的功能恢复在6周和14周时也得到改善,包括感觉运动和空间学习功能。


此外,其他障碍阻碍了NSC在缺血性卒中治疗中的应用,包括具有伦理意义的资源有限、生物学理解不足、临床探索最少以及源自iPSC的肿瘤发生风险。



缺血性中风中的间充质干细胞 (MSCs)


间充质干细胞是非造血干细胞,广泛存在于各种器官和组织中,具有高度增殖、自我更新和多向分化的特性。MSCs可以从多种组织中获得,包括骨髓、胎盘、羊水、脂肪组织、脐带和牙髓。


在临床前水平上,MSCs,尤其是BMSCs的移植改善了MCAO模型大鼠的功能恢复。MSC移植显示可减少病变体积,增强感觉运动和认知功能,促进血管生成和神经发生,调节炎症和免疫反应,并改善突触恢复。尽管一些研究表明缺血性病变体积没有显著减少,但在运用MSCs后功能结果仍然有所改善;这些差异被认为是由于大脑中动脉没有再通。几项临床试验似乎已经证实MSCs是治疗缺血性卒中的潜在选择。



缺血性中风中的诱导多能干细胞 (iPSC)


iPSCs是一类特征与ESCs相似的克隆细胞,由Takahashi和Yamanaka首次发现,他们利用逆转录病毒通过相应的逆转录病毒将四种因子(Sox2、Oct3/4、Klf4和cMyc)整合到小鼠和成人成纤维细胞中。迄今为止,iPSCs主要应用于三个方面,即疾病建模、药物发现和再生治疗


近年来,基于iPSC的细胞疗法发展迅速,其潜力已被研究用于治疗多种疾病。从iPSC分化的视网膜色素上皮细胞已被证明在黄斑变性的临床前模型和临床研究中是安全有效的。作为一种新的替代方法,iPSC技术在各种其他疾病中引起了越来越多的关注,包括缺血性中风、心力衰竭、造血障碍、脊髓损伤和肝病。由于对所有这些应用的详细描述超出了本次审查的范围,我们特别关注与缺血性卒中相关的关键问题。


多种动物实验表明,iPSCs的应用在缺血性卒中治疗中发挥着重要作用,包括改善感觉运动功能,减少病灶体积,促进神经发生和血管生成,并在受缺血性中风影响的啮齿动物的大脑中发挥免疫调节和抗炎作用。然而,一些动物实验并没有达到预期的结果,例如梗死体积显著减少和行为改善。在此,iPSC移植在缺血性脑卒中模型中的实验总结如表1所示,并总结了缺血性脑卒中的动物模型、随访期和实验结果。


表1.缺血性中风模型中iPSC移植实验的总结


《前沿》子刊神经科学报道!诱导多能干细胞治疗缺血性中风



iPSCs在缺血性卒中中的作用机制


缺血性中风引起的神经功能缺损主要是由于各种神经细胞的丢失,包括神经元和不同类型的神经胶质细胞。在缺血性脑卒中动物模型中植入iPSCs可有效促进神经功能的恢复。已经提出了多种机制来解释iPSC在治疗缺血性中风中的这些有益作用,包括细胞替代、神经保护、调节炎症和免疫反应,以及刺激血管生成、突触发生和内源性神经发生(图1)。


诱导多能干细胞治疗缺血性中风机制

图1:iPSCs治疗缺血性中风的机制,包括细胞替代、神经保护、刺激血管生成、突触发生和内源性神经发生,以及调节炎症和免疫反应。


细胞替代和神经保护:iPSC衍生的NSC (iNSC),包括通过基于游离质粒的重编程技术产生的iPSC,可以分化为三种主要的神经谱系,即神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞


临床表明数据表明,iNSC治疗可能具有神经保护作用,导致大脑皮层神经元细胞死亡减少和小胶质细胞活化受到抑制,从而导致基因表达发生变化,从而减少炎症并改善组织恢复。


炎症和免疫反应的调节:研究人员表明在中风后24小时将iPSC衍生的NSC移植到海马中可以减轻血脑屏障损伤,同时降低促炎标志物的表达水平,小胶质细胞活化和粘附分子,导致移植后第一周运动和感觉运动功能显著改善。


刺激血管生成:在星形胶质细胞和受损大脑的血管壁中检测到血管内皮生长因子 (VEGF) 的表达。VEGF的免疫反应性早在移植后1周就上调。虽然在老年大鼠移植后8周反应性相对较弱,但结果表明VEGF分泌对早期恢复的可塑性和炎症有一定的影响。


刺激突触发生和内源性神经发生:此外,研究了缺血性脑中神经回路重建的可能性。结果表明,iPSCs在胚状体样聚集体的无血清培养下可以分化为人端脑祖细胞,这些细胞不仅在体内存活,而且还生长出轴突并延伸到小鼠的脑缺血区。



发展限制和可能的解决方案


iPSCs是通过小活检直接从患者的结缔组织中提取的,具有与ESCs相同的特性,从而克服了与免疫排斥相关的问题并绕过了对胚胎的需求,从而避免了伦理问题。因此,iPSC可以以患者匹配的方式生成,每个人都有自己的PSC线。


首先,从患者身上收集体细胞,例如成纤维细胞。接下来,通过引入重编程因子将体细胞重编程为iPSC。此后,通过基因组编辑生成经过基因校正的iPSC。校正后的iPSC分化为神经元或神经胶质细胞。通过质量评估获得健康的iPSC。最后,细胞疗法可以通过将细胞移植到缺血性中风患者体内来实现。然而,在临床应用之前需要克服与基于 iPSC 的治疗相关的一些障碍和限制。


诱导多能干细胞治疗缺血性脑卒中流程

图2:基于iPSC的治疗步骤


畸胎瘤形成:尽管iPSC-NPC可以存活并向病变区域迁移,并且在移植后的4个月内期间显示可缓解缺血性中风引起的功能障碍,而不会形成肿瘤,但肿瘤发生的风险来自iPSCs仍然是临床应用的主要限制因素。


感应效率低:还提出了几种解决方案来克服iPSC诱导率低的问题。例如,应激介导的p38激活可能会提高iPSC的低诱导率,据报道,高渗不仅促进细胞重编程,而且促进iPSC的生成。


免疫排斥:具有大核的免疫样细胞聚集在移植细胞周围,表明移植6周后免疫排斥反应继续存在。一些从iPSC分化的细胞中的异常基因表达表现出在同基因受体中诱导T细胞依赖性免疫反应的潜力。



结论与未来展望


干细胞治疗及其特点研究的爆炸式发展,开创了缺血性脑卒中治疗的新纪元。同时,iPSC技术在治疗缺血性脑卒中方面也日趋成熟,在临床前模型中取得了可观的成果,从而绕过了与使用ESC相关的伦理和免疫排斥问题。目前,iPSCs被认为是一种很有前途的临床治疗工具,有望在不久的将来实际应用。要实现这一疗法,我们应该努力克服剩余的障碍,进行更广泛、更深入的临床试验。重要的是,优化iPSC的培养和分化方法需要达成共识。


在选择移植方法时,除了确定移植时间和途径外,还需要确定移植前的分化状态、移植给药方式、剂量和辅助状态。各种策略的开发和评估可能为克服iPSC诱导的致瘤性和低效率提供有希望的解决方案。


综上所述,随着iPSCs技术的快速进步和改进,以及对重编程和治疗机制的深入了解,为缺血性卒中患者提供安全、相对高效的iPSCs的最终目标可能在不久的将来成为现实。


参考资料:Duan R, Gao Y, He R, Jing L, Li Y, Gong Z, Yao Y, Luan T, Zhang C, Li L and Jia Y (2021) Induced Plurpotent Stem Cells for Ichemic Stroke Treatment. 正面。神经科学。15:628663。doi: 10.3389/fnins.2021.628663.


说明:推文用于传播知识,分享行业动态,不构成任何医疗建议,如有疑问,请随时联系我。


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