脊髓损伤的间充质干细胞治疗

1、脊髓损伤的间充质干脊髓损伤的间充质干 细胞治疗进展细胞治疗进展 1 1 间充质干细胞的治疗前景间充质干细胞的治疗前景 什么是间充质干细胞？什么是间充质干细胞？ 来源于中胚层 最早发现于骨髓 贴壁生长 能够形成CFU 多向分化分化潜能 表达多种干性标志 间充质干细胞的特点？间充质干细胞的特点？ 能够体外多向分化为成骨细胞、成软骨细胞、脂肪细胞等 能够跨胚层分化为内胚层和外胚层来源细胞（环境依赖性） 具有免疫调控作用（依赖于炎症反应） 具有造血支持作用（支持造血干细胞Niche稳态） 具有促进组织再生作用（营养支持） 具有促进肿瘤作用（抑制免疫反应） Nat Rev Immunol, 2008.

2、8(9): p. 726-36. Science, 1999. 284(5411): p. 143-7. 2 2 间充质干细胞的临床应用间充质干细胞的临床应用 免疫调节作用：治疗自身免疫性疾病 组织修复作用，器官再造（目前为体外研究阶段） 治疗各种损伤及退行性疾病：包括 n肝硬化 n缺血性心肌病 n糖尿病 n血液系统性疾病 n肺纤维化 n进行性肌营养不良 间充质干细胞临床使用意义间充质干细胞临床使用意义 3 3 间充质干细胞的临床应用优势间充质干细胞的临床应用优势 （1）安全：低毒性（或无毒性）； （2）在尚未完全了解疾病发病的确切机理前也能应用； （3）对某些症状，干细胞移植效果明显，一次性

3、植入，作用持久； （4）移植材料来源充足； （5）是最好的免疫治疗和基因治疗载体； （6）治疗范围广阔，理论上能治疗大部分疾病； （7）给那些传统疗法下被认为是“不治之症”的疾病带去了新的疗法和 新的希望。 4 4 间充质干细胞的来源丰富间充质干细胞的来源丰富 Cell Commun Signal, 2011. 9: p. 12 来来 源源骨骨 髓髓脐带血脐带血脐带脐带胎胎 盘盘 分离部位分离部位 细胞种类细胞种类 造血干细胞 和 间充质干细胞 造血干细胞 和 间充质干细胞 间充质干细胞 细胞数量细胞数量 较少 间充质干细胞增殖 分化能力逐年减弱 较少 （30kg患者使用） 不可扩增 较多 可

4、扩增 丰富 可扩增 治疗范围治疗范围 血液、骨骼、神经系 统疾病 血液类疾病 再生医学重要的种子细胞，治疗大 多数损伤性疾病、自身免疫病等。 免疫原性免疫原性 高高低 血液组织 5 5 不同来源间充质的差异性不同来源间充质的差异性 7 脊髓的重要性脊髓的重要性 运动和感觉传导通路运动和感觉传导通路 马尾 体表节段性支配 三根定律 感觉皮节三根支配示意图 体表节段性感觉分布图 脊髓的重要性脊髓的重要性 脊髓的节段性神经支配脊髓的节段性神经支配 脊髓损伤脊髓损伤 (Spinal Cord Injury) 脊髓损伤(SCI)是脊柱骨折或脱位的严重并发症， 是一种严重的致残性损伤往往造成患者不同程度

5、的截瘫。 不同损伤平面及不同程度脊髓损伤患者的预后不 一。 脊髓损伤原因脊髓损伤原因 脊髓受到脊柱的良好保护，绝大多数脊髓损伤是由 脊柱的损伤引起的（主要是交通事故伤、暴力损伤及和 工作有关的损伤）。 脊髓损伤根据致病因素不同可分为外伤性脊髓损伤 及非外伤性脊髓损伤。 脊髓脊髓损伤的病理分类损伤的病理分类 脊髓损伤的分类 （一）原发性脊髓损伤（一）原发性脊髓损伤 脊髓震荡 (concussion of spinal cord) 脊髓挫裂伤(contusion of spinal cord) （二）继发性脊髓损伤（二）继发性脊髓损伤 脊髓水肿 脊髓受压 椎管内出血 脊髓损伤的病理转归脊髓损伤的病

6、理转归 急性期 激发反应期 慢性期 急性期：即伤后至最初几天内, 为脊髓及周 围组织包括血管内皮受到初始机械损伤, 坏 死及细胞死亡瞬间发生。受伤几分钟后, 神 经细胞会发生电解质紊乱(细胞内Na+浓度增 加, 细胞外K+浓度增加, 细胞内Ca2+浓度增 加至中毒水平) , 导致神经功能衰竭和脊髓休 克, 并持续约24 h, 决定脊髓损伤的程度。接 着出血和局部水肿发生, 由于血管痉挛、血 栓形成和机械压迫导致微循环障碍, 血管自 我调节机制紊乱, 进一步加重脊髓损伤。脊脊 髓损伤的最佳处理时间是髓损伤的最佳处理时间是3h 内内, 故临床上来故临床上来 不及给予有效的治疗策略。不及给予有效的治

7、疗策略。 脊髓损伤的病理转归脊髓损伤的病理转归 急性期 激发反应期 慢性期 继发反应期: 伤后数分钟到数周内, 其主要机 制有细胞继续缺血性死亡、电解质紊乱和水 肿, 在受伤后最初15min 内, 机械损伤致细胞 溶解和突触或非突触间的运输, 出现细胞外 谷氨酸盐及其他刺激性氨基酸浓度急剧升高, 高于正常水平68 倍,由于谷氨酸盐受体激由于谷氨酸盐受体激 活等原因导致脂质过氧化和氧自由基产生活等原因导致脂质过氧化和氧自由基产生, 一种不同于缺血坏死的继发性细胞程序性死一种不同于缺血坏死的继发性细胞程序性死 亡发生亡发生, 导致反应性神经胶质过多导致反应性神经胶质过多, 包括神包括神 经胶质纤维

8、酸性蛋白增加和星状胶质细胞增经胶质纤维酸性蛋白增加和星状胶质细胞增 殖殖。24h内嗜中性粒细胞(分泌髓过氧化物酶) 从外周循环侵袭脊髓实质, 同时48h内淋巴 细胞(分泌不同的细胞因子和生长因子)浓度 达到顶峰。炎性细胞的侵入使局部细胞因子炎性细胞的侵入使局部细胞因子 和趋化性细胞因子的浓度增加和趋化性细胞因子的浓度增加。接着损伤区 神经再生的抑制因子和(或)阻断物质浓度也 增加, 导致更大范围的细胞死亡。 脊髓损伤的病理转归脊髓损伤的病理转归 急性期 激发反应期 慢性期 慢性期: 发生在受伤后数天至数年, 主要机制 有细胞程序性死亡范围扩大, 一些受体及离 子通道浓度和活性改变, 瘢痕出现瘢

9、痕出现(25%发生发生 率率) , 脱髓鞘导致传导功能受损脱髓鞘导致传导功能受损, 囊性变囊性变(约约 20%发生率发生率), 脊髓空洞区域扩大脊髓空洞区域扩大, 受损区及受损区及 附近轴突再生反应附近轴突再生反应(不超过不超过1 mm) , 神经冲动神经冲动 传导通路改变传导通路改变, 大多数脊髓损伤患者由于一 些细胞兴奋性增高而出现慢性疼痛。 病理生理分期决定了只有在继发反应期和慢病理生理分期决定了只有在继发反应期和慢 性期可给予有效的治疗策略。性期可给予有效的治疗策略。 脊髓损伤的临床表现脊髓损伤的临床表现 脊髓休克(spinal shock) 运动和感觉障碍 体温控制障碍 痉挛 排便功

10、能障碍 马尾损伤的临床表现 性功能障碍 不同平面脊髓损伤临床表现 脊髓损伤对人类健康的危害脊髓损伤对人类健康的危害 损伤在C1C3患者的病死率是截瘫患者的6.6倍, 损伤在 C4、C5 和C6C8 患者的病死率分别是截瘫患者的2.5 和1.5倍 一般来说, 急性脊髓损伤的患者40 例中只有1例在主要的 创伤中心接受治疗。现场和送住院途中的病死率分别是 48. 3% 和79%。急性脊髓损伤住院后的病死率是4. 4% 16. 7% 死亡率高死亡率高 脊髓损伤患者一生的治疗康复费用高昂，据国外统计脊 髓损伤患者一生的治疗康复费用平均达75万美元以上, 美 国每年对脊髓损伤患者的花费超过60亿美元 治

11、疗费用高治疗费用高 北京市：2002年SCI 年发病率为60/106，20 世纪80年代 末调查的年发病率6.8 /106 相比，有了惊人的增长 上海市浦东新区20052007年脊髓损伤的年发生率为 25/10，较之前报道的上海13.7/106的年发生率显著升高 发病率逐渐增高发病率逐渐增高 脊髓损伤的治疗目标脊髓损伤的治疗目标 脊髓损伤的病理生理改变脊髓损伤的病理生理改变理想的治疗目标理想的治疗目标 Mothe, A.J. and C.H. Tator,. J Clin Invest, 2012. 122(11): p. 3824-34. 脊髓损伤的诊疗现状脊髓损伤的诊疗现状 虽然对脊髓损伤

12、的分子机制的研究已经相对深入， 其临床治疗依旧比较局限，主要是对症治疗，以激素甲 泼尼龙MPS的冲击治疗为主。手术是最彻底的治疗手段， 但是手术时机的选择一直是一个临床难题。 目前脊髓损伤治疗主要集中在以下几个方面: (1) 控制继发性损伤, 包括手术减压、激素冲击疗法、 自由基清除等。 (2)促进轴突再生, 修复受损的髓鞘。包括细胞移植、 神经生长因子的应用等。 (3)解除抑制轴突再生的因素, 包括应用抗轴突生长 抑制因子及基因沉默等技术间接促进轴突的再生。 总体来讲，缺乏有效的治疗手段总体来讲，缺乏有效的治疗手段 脊髓损伤的理想（探索）治疗模式脊髓损伤的理想（探索）治疗模式 Silva,

13、N.A., et al.,. Prog Neurobiol, 2013. 细胞治疗细胞治疗 脊髓损伤的细胞治疗前景脊髓损伤的细胞治疗前景 干细胞移植治疗脊髓损伤是近年来的研究热点。 由于脊髓损伤后自发性轴突再髓鞘化过程非常有限， 细胞移植治疗被视为更新少突胶质细胞、促进轴突 再髓鞘化的重要手段。 理论上，移植的干细胞可在损伤部位存活并整合入 宿主组织中，进一步分化为神经元、星形胶质细胞 和少突胶质细胞，大多数可同宿主细胞之间可形成 突触样结构，使中枢神经系统的功能得到一定程度 的恢复。 脊髓损伤导致上行和下行脊髓束的轴突中断、神经元和胶质细胞缺损、神经性炎症发 生和脱髓鞘。干细胞治疗通过如下方

14、式，可以实现脊髓损伤的个体化治疗。 第一，移植干细胞来源的脊髓成神经细胞可以替换受损或死亡的运动神经元和其他神 经元。 第二，移植干细胞来源的少突胶质祖细胞可以促进髓鞘再生。 第三，移植能够拮抗有害的炎症反应和分泌促生长因子的干细胞 脊髓损伤的干细胞治疗模式脊髓损伤的干细胞治疗模式 Lindvall, O. and Z. J Clin Invest, 2010. 120(1): p. 29-40. 目前可用于脊髓损伤治疗的干细胞目前可用于脊髓损伤治疗的干细胞 胚胎干细胞（embryonic stem cells，ESs） 神经干细胞（neural stem cells，NSCc） 嗅鞘细胞（o

15、lfactory ensheathing cells，OECs） 间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs） 雪旺细胞（Schwann cells，SCs）。 其中的胚胎干细胞存在伦理问题，神经干细胞、雪旺其中的胚胎干细胞存在伦理问题，神经干细胞、雪旺 细胞和嗅鞘细胞主要局限于试验室水平。细胞和嗅鞘细胞主要局限于试验室水平。 间充质干细胞（MSCs），在治疗 脊髓损伤方面有其独特的优点： 1. 具有促再生能力； 2.具有多向分化潜能，特别是环境 依赖性分化为靶组织细胞的能力； 3.来源途径丰富，而提取、分离纯 化和体外扩增却相对简单； 4.免疫原性弱，一般不存在免疫

16、排 斥反应；同时能够抑制炎症反应 5.可进行基因修饰后移植。 间充质干细胞治疗脊髓损伤的价值间充质干细胞治疗脊髓损伤的价值 Rice, C.M., et al., Lancet, 2013. 382(9899): p. 1204-13. MSCs 为治疗脊髓损伤展示了一种全新和理想的方法，存在诱导分化为神经 细 胞的潜能并能够向神经干细胞一样在中枢神经组织（脑、脊髓）里迁移、 存活和整合，国外动物实验及临床应用中曾有报道MSCs 移植对脊髓损伤治 疗的有效性及安全性是可靠的。 SCI病理生理机制与病理生理机制与MSCs的相关性的相关性 SCISCI脊髓损伤的病理生理机制脊髓损伤的病理生理机制M

17、SCMSC的生物学效应的生物学效应 水肿、出血、缺血等引起的血供障碍合成血管内皮生长因子、刺激内生性新血管的 形成和生长 神经元和胶质细胞的死亡(坏死和凋亡）抗凋亡效应：抗凋亡基因和蛋白、半胱氨酸天 冬氨酸蛋白酶等表达上调；分化为神经元表型 神经性炎症：细胞性（活化的中性粒细胞、T 细胞、小胶质细胞/巨噬细胞）和体液性（细 胞因子、白介素、干扰素、前列腺素等） 干扰DC细胞的成熟，调节细胞因子的生成和T细 胞的反应，抑制炎症和细胞基质的产生 谷氨酸引起兴奋性中毒，ATP再生能力耗损通过调控基因表达，降低神经元谷氨酸受体对 其配体的敏感性 产生活性氧簇，诱导型一氧化氮合酶，溶酶 体，脂质过氧化作

18、用等 降低氧化应激：增加NAD(P)H醌氧化还原酶1和 血红素加氧酶-1（HO-1）的活性，下调诱导型 一氧化氮合酶的生成 改变生长因子信号通路促进旁分泌和内源性生长因子的合成，包括BDN F,NGF,GDNF,IGF-1等 脊髓空洞症：假性饱囊和空洞形成抑制细胞外基质的产生，减少空洞的形成，促 进轴突的再生 脱髓鞘，巨噬细胞和小胶质细胞活化促进髓鞘再生，刺激施旺细胞迁移（至损伤部 位） Forostyak, S., P. Biochimie, 2013. 95(12): p. 2257-70. Forostyak, S., P. Jendelova and E. Sykova, Biochi

19、mie, 2013. 95(12): p. 2257-70. 骨髓骨髓MSC治疗慢性阶段治疗慢性阶段SCI，修复了，修复了 空洞、重建了轴突，部分恢复了运空洞、重建了轴突，部分恢复了运 动神经元的功能动神经元的功能 BM-MSC治疗治疗SCI的临床前研究的临床前研究 Himes 等用高流量方法扩增BMSCs 后提纯， 并通过 静脉注射方式将BMSCs 植入脊髓损伤的小鼠体内， 2 周后小鼠的BBB 评分明显提高， 温度觉及行走功 能明显恢复。 董锋等应用大鼠MSCs 静脉注射移植对脊髓损伤SCI 后脑源性神经营养因子、神经生长因子表达的影响, 结论显示脊髓损伤后损伤脊髓局部的脑源性神经营 养因

20、子、神经生长因子表达增加,这可能是促进大鼠 神经结构及神经功能恢复的因素之一。 Himes, B.T., et al. Neurorehabil Neural Repair, 2006. 20(2): p. 278-96 董锋, 林建华与吴朝阳.中国康复医学杂志, 2008(05). BM-MSC治疗治疗SCI的临床研究的临床研究 Geffner 等将骨髓间充质干细胞经椎管内移植、局部种植、 静脉移植三种途径移植治疗52 例脊髓损伤的患者，结果提 示三种移植方式均可以促进神经功能的恢复，且均安全、 可行。 Sykova 等将骨髓干细胞移植入7例急性脊髓损伤和13例慢 性脊髓损伤患者体内，随访2

21、 年，认为骨髓干细胞是安全、 有效的，且移植的最佳时间为伤后34周。 Moviglia 等进行一种自体骨髓间充质干细胞移植治疗，8位 志愿者中5例患者出现了躯体运动功能恢复，治疗后可以 站立及行走，2例患者出现感觉功能改善。 Geffner, L.F., et al. Cell Transplant, 2008. 17(12): p. 1277-93. Sykova, E., et al. Cell Transplant, 2006. 15(8-9): p. 675-87. Park, H.C., et al., Tissue Eng, 2005. 11(5-6): p. 913-22. MS

22、C治疗治疗SCI面临的挑战面临的挑战 虽然近年来对间充质干细胞治疗脊髓损伤的研究取 得了一定的进展，但由于间充质干细胞在移植中具 体的细胞内分化机制以及致瘤性等问题均没有得到 有效的解决，还需今后实验研究的进一步深入。 此外，间充质干细胞移植的应用研究中还存在着许 多尚未解决的问题，如体外扩增速度问题，分化神 经元的比例控制、功能性神经元的定向分化问题， 移植时机的选择问题，移植方法、途径、细胞状态、 支架、佐剂、适应证等等问题，距离临床应用还有 诸多困难，亟待深入研究和解决。 MSC治疗治疗ONFH的临床实验概况的临床实验概况 在Clinical Trial 登记在册的数目为28宗 其中脐带来源3宗 细胞类型细胞类型损