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  • 牙髓干細胞對中樞神經系統疾病的治療新進展

    中樞神經系統(central nervous system,CNS)包括大腦和脊髓,是所有感官的知覺和運動輸出的中樞。CNS的修復和再生能力非常有限,受損的神經元細胞凋亡后無法被取代,并且大多數損傷的CNS不能再生,因此對這個區域的損傷通常非常嚴重并且往往是不可逆的。

     

    在大多數情況下,CNS功能喪失繼發于神經元受損。干細胞可以作為一種新的神經元來源整合到神經組織中,取代已經損失的神經元,或作為一種營養因子源促進內源性神經元再生和存活,為修復CNS提供一個較好的治療方法。牙髓干細胞(dental pulp stem cells,DPSC)表達神經元標記物和分泌神經營養因子(neurotrophic factors,NTF)以及其神經源性分化的能力引起了廣泛研究,為應用于治療神經疾病和損傷提供了潛在可能。

     

    1.牙髓干細胞

     

    1.1DPSC的生物學特性

     

    干細胞的應用是基于它們增殖和分化成新的特化細胞的能力,以便于組織的替換和再生。特別是,DPSC的神經嵴來源和表達巢蛋白的特點證實這些細胞可以分化為功能性神經元,因此適合作為細胞來源替代損傷的神經細胞。DPSC具有自我更新和多向分化潛能,如分化成軟骨細胞、脂肪細胞、成骨細胞、成牙本質細胞、神經細胞,同時表達間充質干細胞樣(如CD29、CD90、CD105、CD146、CD166、CD271)和神經干細胞樣(如巢蛋白、神經膠質酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP))干細胞表型標記物。從拔除的智齒組織中可以提取到干細胞,包括牙囊、牙髓和根尖乳頭,而這些干細胞顯示出間充質干細胞的特點,并具有良好的體外神經分化能力。

     

    1.2DPSC的神經分化潛能

     

    與其他來源相比,來源于牙髓的干細胞顯示出最有效的神經源性分化潛力。研究發現,在電刺激下,含有DPSC的培養基中含有更多的pⅢ微管蛋白、膠質纖維酸性蛋白和少突膠質細胞,提示DPSC可以向成熟的多巴胺能神經元分化。數據顯示,DPSC在成神經誘導條件下形成了神經元的形態,并在基因和蛋白水平均表達神經元特異性標志物,并且表現出了與功能性神經細胞一致的鈉電流以及形成了電壓依賴性鈉離子和鉀離子通道。將DPSC分化的前體神經細胞移植到有腦皮質病變的大鼠腦脊液中,這些細胞可以存活并整合到腦實質中,而后繼續保持功能長達4周。

     

    1.3DPSC的神經營養特性

     

    現在人們普遍認識到,間充質干細胞(mesenchymal stem cells,MSC)的主要治療作用是通過旁分泌產生的抗炎因子和營養因子發揮作用。各項研究表明,DPSC分泌和表達的NTF包括神經生長因子(nerve growth factor,NGF)、腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)、神經營養因子-3neurotrophin-3,NT3)、膠質細胞源性神經營養因子(glial cell-line derived neurotrophic factor,GDNF)、血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和血小板源性神經營養因子(platelet derived neurotrophic factor,PDGF)。這些神經營養因子有不同的功效和作用,NGF在促神經突生長中起主要作用,而BDNFPDGF對神經保護更加重要。

     

    研究證實,DPSC分泌的多種營養因子,如NGF、BDNF、NT-3、VEGF、PDGFGDNF,超過其他類型細胞如骨髓(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSC)和脂肪間充質干細胞(adipose-derived MSC,AMSC)的分泌水平。報道稱,DPSC源性因子可以促進軸突再生,移植到發育中的雞胚后能夠很好的介導軸突導向,作者證實了DPSC源性因子CXCL12是引導軸突生長的重要因素。這些結果表明了DPSC促進和引導軸突再生的潛能。相反,胚胎干細胞和誘導多能干細胞則缺乏有效的證據支持其修復神經損傷方面的旁分泌能力。因此,MSC,特別是DPSC代表了一個理想的修復和保護CNS損傷的細胞類型。

     

    2.DPSC對中樞神經系統疾病的治療

     

    2.1DPSC對腦損傷的修復

     

    2.1.1對創傷性腦損傷的治療潛力

     

    雖然在人的大腦中已經發現了神經干細胞,但是他們對中樞神經的修復作用有限,并且分離和擴增這些細胞也遇到了各種技術障礙和倫理問題。胚胎干細胞和誘導多功能干細胞也可以用于修復神經系統損傷,特別是用于細胞替代治療,而且相比而言后者也克服了許多倫理問題。然而,利用人骨髓間充質干細胞的新療法已經越來越受到人們的關注,尤其是通過分泌旁分泌因子刺激內源性修復過程,證明了其神經組織修復和再生的潛力。

     

    一種有效的干細胞治療腦損傷療法,如創傷性腦損傷(traumatic brain injury,TBI)和中風,需要細胞能夠很好的移植、整合并存留在大腦中。將DPSC移植到健康的腦組織中能刺激內源性神經干細胞的增殖和遷移,也增加了神經營養因子如睫狀神經營養因子、VEGFFGF在移植部位的表達,顯示了DPSC通過旁分泌機制對腦組織的調節潛力。一項研究使用EGF、bFGF和維甲酸將DPSC預分化為神經元樣細胞,并移植到了TBI大鼠的腦脊液,這些細胞遷移到大腦的不同區域,包括病變部位,并且表現出神經元樣細胞形態,同時表達具有功能性的鈉/鉀電流。

     

    綜上所述,我們認為這些研究結果證明了DPSC遷移并在中樞神經系統的病變部位存活的能力,為TBI提供一個適合的治療措施。

     

    2.1.2對中風的治療潛力

     

    中風可以導致大腦的缺血性損傷,是死亡的第二大原因。將DPSC移植入局灶性腦缺血大鼠模型能夠改善大鼠的前肢感覺運動功能,盡管移植4周后只有2%DPSC成功遷移到病變部位。DPSC主要分化能夠表達GFAP的膠質細胞而不是神經元,提示DPSC發揮功能是間接的、通過旁分泌介導的,而不是直接替換因缺血性損傷丟失的神經元。將DPSC移植到缺氧缺血性腦損傷的動物腦室中,結果表明DPSC可以促進神經元和神經膠質細胞的生存和形成,各種行為測試也證實了大腦功能的提高。在小鼠缺氧缺血性腦損傷模型中使用脫落乳牙干細胞(stem cells from human exfoliated deciduous teeth,SHED),通過足部行為缺陷試驗發現,SHED細胞移植改善了神經行為功能,同時也防止組織萎縮、減少內源性細胞凋亡的數量。有趣的是,沒有發現SHED細胞分化成為神經元和膠質細胞,提示SHED細胞的神經保護和功能改善的作用是由旁分泌介導的。

     

    2.1.3對阿爾茨海默氏病和帕金森病治療潛力

     

    阿爾茨海默氏?。?/span>Alzheimers diseases,AD)和帕金森?。?/span>Parkinsons diseases,PD)為神經退行性疾病,特點是漸進性和永久性神經元的損失。β-淀粉樣肽(Aβ)的沉積與神經元的退行性病變有關,是AD病人腦內老年斑周邊神經元變性和死亡的主要原因。利用體外AD/PD模型,將DPSC與海馬和中腦的神經元進行共培養,并給予β-淀粉樣肽或6-羥基多巴胺(6-hydroxy dopamine,6-OHDA),結果顯示DPSC可以顯著降低神經元毒性和死亡,這可能與DPSC表達的多種NTF有關,包括NGF、GDNFBDNF。研究表明,牙髓干細胞(DPSCs)能夠分泌β-淀粉樣肽降解酶、腦啡肽酶(NEP)。

     

    牙髓干細胞與骨髓和脂肪干細胞相比,其分泌物中包含著更高濃度的血管內皮生長因子(VEGF)、趨化因子Fractalkine、單核細胞趨化蛋白1MCP1)和粒-巨噬細胞集落刺激因子(GM-CSF)。而且與未處理的細胞相比,細胞經牙髓干細胞處理后,其分泌物能夠通過提高細胞活力,從而更加顯著地降低β-淀粉樣肽的細胞毒性。此外,牙髓干細胞的分泌物刺激了內源性生存因子Bcl-2,降低了Bax調節的細胞凋亡。此外,在牙髓干細胞的分泌物中檢測到了腦啡肽酶,并且在12h內,它在體外成功地降解了β1-42-淀粉樣肽。因此,牙髓干細胞通過旁分泌途徑治療阿爾茨海默病具有很大研究價值。

     

    2.2DPSC對脊髓損傷的治療潛力

     

    脊髓損傷(spinal cord injury,SCI)會導致部分或完全的知覺喪失、下肢癱瘓,病情嚴重的會導致上肢癱瘓和呼吸停止。體外實驗證明,DPSC通過含有硫酸軟骨素蛋白多糖和髓鞘相關糖蛋白的抑制介質促進軸突生成,再生證明了DPSC通過旁分泌途徑的治療潛力。將DPSC移植治療到SCI的病變部位,它們沒有分化成神經元,但的確促進病變部位及病變周圍組織在內源性神經元和神經膠質細胞的生存。

     

    幸存的皮質脊髓束軸突再生的距離跨越了病變部位和生物素葡聚糖胺(biotinylated dextran amine,BDA)標記的部位,證實了從病變部位到脊髓遠端產生了廣泛的軸突再生。同時后肢運動功能也得到改善,測試結果顯著好于接受BMSCAMSC移植的動物。雪旺細胞樣膠質細胞能夠比未分化的DPSC分泌更高滴度的NTF,因此誘導DPSC分化成的雪旺細胞樣膠質細胞可能具有更大的益處。在體外,這些雪旺細胞比DPSC更好地促進背根神經節細胞(來源于脊髓)突起的再生。將SHED細胞向神經細胞系做預分化并移植到脊髓損傷部位提高了SCI大鼠的運動能力,這項結果同樣證實了DPSC對中樞神經系統的修復和再生的治療潛力。

     

    2.3DPSC對視網膜修復的治療

     

    視網膜是CNS的一部分,其修復能力也有限。視網膜的損傷可以有多種表現形式,包括感光體/視網膜神經節細胞(retinal ganglion cell,RGC)的損失、年齡相關性黃斑變性(age-related macular degeneration,AMD)、青光眼、軸突損傷(外傷性視神經病變)。眼部疾病可由退行性慢性病變如AMD引起,其特征是視網膜感光細胞和色素上皮細胞逐漸喪失。由于視神經受壓變性,青光眼會導致RGC的變性,通常由于眼壓升高。外傷性視神經病變(traumatic optic neuropathy,TON)與脊髓損傷相似,常常損害視神經,導致視覺功能喪失。以往的原理研究證明,移植到眼睛內的初級光感受器整合到視網膜的外核層并恢復了視覺功能。然而,在臨床上從年輕供體眼睛獲得大量的光感受器是不可行的,因此需要一種替代AMD的治療方法。

     

    理想的方法是獲得一種可以擴增并分化為光感受器細胞的干細胞來源。研究表明,牙髓干細胞與受損的視網膜共培養后,可被誘導分化并有光感受器細胞表型。這些感光細胞表達出視紫紅質表型標記,但其功能活性尚未被證實。最近,有學者認為DPSC具有分化為視網膜神經節樣細胞的潛力。在FGF2SHH的作用下,接種于三維纖維水凝膠的DPSC顯示出分化為RGC的表型特征,包括RGC相關基因/蛋白的表達,如Brn3b。然而,還不清楚這些培養細胞是否是分化良好的RGC,以及是否可以用來成功地整合到視網膜中以達到恢復視力的目的。還需要考慮是,DPSC分化的RGC需要再生出具有視神經全長的軸突才能發揮功能,但目前仍未實現這個目標。

     

    最近的研究探討了MSC通過旁分泌介導的機制修復視網膜的可能性。RGC的死亡主要是由基本的生存要素(即NTF)供給不足引起的,實驗表明重組NTF具有保護神經的作用,盡管這種作用是短暫的。由于MSC/DPSC相對高表達一系列的NTF,探討其神經保護作用具有重要意義。將DPSC與切斷的原代大鼠RGCTranswell共培養系統中共培養,兩細胞群由一個半透膜分離,結果顯示DPSCRGC的生存及其突起再生,而將特定的融合蛋白NTF受體抑制劑加入到培養基時,這種神經保護/神經再生作用就消失了,說明這種效果在很大程度上依賴于NTF的分泌。

     

    移植到玻璃體后,DPSC存活3周后,可以促進約40%RGC存活,并明顯促進RGC的軸突再生和病變部位疤痕的消除。由于眼睛具有低免疫排斥特性,移植到玻璃體的DPSC與其他MSC有相近的存活時間,MSC的免疫抑制特性和玻璃體防止細胞遷移的約束性,使DPSC/MSC具備了長期治療的潛力。將DPSC移植入玻璃體后,RGC存活數目得到提高,視網膜電圖顯示了RGC的電活動增強。在長達35d的治療中,DPSC在保護RGC存活和保存視功能方面明顯優于較未做處理眼睛和BMSC/AMSC治療的眼睛。這是DPSC第一次在青光眼模型上測試,證明在臨床試驗中使用DPSC治療各種眼部疾病具有重要意義。

     

    4.總結

     

    DPSC在治療損傷性和退行性神經系統疾病中具有巨大的潛力,移植后發揮作用的主要機制很可能是旁分泌介導機制,分泌NTF參與神經元的存活、軸突再生和功能恢復。細胞分化也可能發揮作用,特別是分化成神經膠質樣細胞,然后作為NTF或髓鞘再生細胞的來源。DPSC作為研究熱點的時間尚短,還沒有臨床試驗測試它的臨床療效。然而,考慮到這些細胞巨大的治療潛力,我們期待其在這個領域的研究迅速增長。預測基于DPSC的臨床試驗將在不太遙遠的未來成為現實。

     

    來源:袁忠治,胡偉平.牙髓干細胞對中樞神經系統疾病的治療新進展[J].口腔醫學

     

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