干细胞可以修复大脑损伤!科学家提出5个应用原则

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近年来,细胞疗法为众多疾病的再生治疗带来了巨大的希望。最近干细胞修复大脑损伤的临床研究方面取得了突破性进展,不过将细胞疗法应用于大脑损伤的治疗结果仍然有待提高。


近日,瑞士科学家在国际期刊《The Neuroscientist》发表相关综述[1],总结了细胞疗法的前景及局限性,并提出了五条原则来推进细胞疗法在大脑损伤修复中的应用,文章侧重于中风的细胞疗法,但同样也适用于其他脑部疾病

干细胞可以修复大脑损伤!科学家提出5个应用原则(图1)


中风是世界范围内导致残疾和死亡的主要原因,据估计,全球因中风造成的损失超过7210亿美元(占全球GDP的0.66%)。从1990年到2019年,中风发病率增加70.0%,因中风死亡人数增加43.0%[2]。


然而,目前对于中风还缺少有效治疗手段,迅速修复甚至逆转中风后脑损伤成为一大研究热点。近年来,随着再生医学的迅猛发展,也给中风后脑损伤修复带来了希望,然而,中风的异质性给细胞疗法的临床应用带来了不小挑战。因此,上述文章确定了细胞疗法在中风治疗中的五个主要的限制及未来突破点,并利用细胞和基因工程领域的最新进展提供了相应的解决方案[1]。

干细胞可以修复大脑损伤!科学家提出5个应用原则(图2)

图片来自文献[1]


01 细胞来源


各种来源的干细胞均被认为可以成功地完成中风后脑损伤修复的细胞治疗,包括成体干细胞胚胎干细胞或诱导多能干细胞(iPSCs)。然而,所有类型的细胞在其适用性方面都存在局限性。未来仍然需要更多的研究探索以解决局限性。


临床上,最常用的成体干细胞来源是间充质干细胞,因为它们易于获得和分离。间充质干细胞可提供营养支持,但不能分化为神经谱系;间充质干细胞主要发挥着旁分泌作用及营养支持作用。

干细胞可以修复大脑损伤!科学家提出5个应用原则(图3)


成体干细胞相比,胚胎干细胞具有更强的分化为多种细胞类型的能力,并且可以无限增殖。然而,它们的应用受到严重的伦理问题的限制,而且他们有更高的致瘤风险。


随着诱导多能干细胞(iPSCs)的引入,伦理方面的担忧得到了克服。iPSCs是通过将体细胞重编程为多能胚胎干细胞样状态而产生的,在移植之前,iPSCs通常被分化成所需的神经细胞类型,并通过增殖再移植到特定大脑部位以促进大脑再生[1]。

干细胞可以修复大脑损伤!科学家提出5个应用原则(图4)

图片来自文献[3]


02 细胞移植途径


如何保证移植细胞最大化到达及定植于受损大脑,这是目前有待探讨的一大问题,尽管临床前的细胞治疗研究倾向于脑内局部移植,但超过一半的临床试验更倾向于通过血管注射来移植细胞。


该领域面临着一个两难境地:脑内局部细胞移植有望实现最大疗效,但注射的相关风险阻碍了其广泛应用。此外,血管注射是微创的;然而,大多数细胞最终进入了非靶器官,因此治疗效果大打折扣。同时,根据移植细胞类型、脑损伤的时间和严重程度以及相关的血脑屏障损伤等,到达受损大脑的细胞数量也有所差异。

干细胞可以修复大脑损伤!科学家提出5个应用原则(图5)


为了提高移植干细胞的靶向富集及驻留,研究人员开发了多种联合手段,如在局部注射时,利用水凝胶包裹移植细胞群,这种方法增强了移植物的驻留力和存活率,同时改善了移植物的成熟度;此外,在全身注射时,可仿照嵌合抗原受体T细胞CAR-T)治疗癌症的原理,在移植细胞表面装饰上可靶向卒中相关多肽的抗体,可能会增强移植物在损伤部位的归巢,并在全身应用后提供更有针对性和更有效的细胞治疗[1]。


03 细胞移植时机


中风后脑组织在急性期形成一个有害的环境,具有高水平的炎症、氧化应激、细胞死亡和碎片,这降低了移植细胞的存活机会。因此,为了避免上述有害环境,细胞治疗的最佳治疗窗口估计是在卒中后几天至1周,以确保移植细胞的长期存活。对于全身移植来说,这一时间点的血脑屏障通透性降低,更有利于移植细胞到达受损部位[1]。

干细胞可以修复大脑损伤!科学家提出5个应用原则(图6)


同时,目前对于干细胞在中风后不同时间点的作用机制也有了初步探索,在中风后的急性期和亚急性期,干细胞治疗主要通过直接替代和分泌营养因子以促进功能恢复。在慢性期,干细胞的支持作用可能是主要的治疗机制。


04 免疫相容性


免疫排斥是细胞治疗中的另一个关键问题。自体iPSC疗法(即使用从患者自身体细胞产生的iPSCs)可能是绕过这一问题的最合适的选择,然而,由于生产个体化iPSCs费时,费力,费钱,严重限制了其临床应用及用于急性疾病的治疗。


因此,科学家们尝试能否开发出具有最高免疫相容性的同种异体iPSCs,这样便可以实现iPSCs的商品化应用。目前,已经针对在免疫排斥中发挥关键作用的人白细胞抗原 (HLA) 进行基因改造,以便让细胞移植的同种异体应用早日克服免疫相容性问题。


此外,间充质干细胞具有低免疫原性的有点,目前在多个临床试验中被采用,同种异体使用时无需配型[4]。在临床上具有十分广阔的前景。


05 风险最小化


任何一项医疗技术都存在风险,更何况将活的细胞注射到大脑中,风险包括急性脑出血(在立体定向局部注射时)、细胞凝结或细胞诱导的血管栓塞(在全身注射时)以及功能性副作用(如癫痫发作和不自主运动)。从长远方面来看,最大的担忧是移植细胞形成恶性肿瘤以及移植细胞的非靶向富集。对于成体干细胞而言,尽管间充质干细胞治疗的安全性已经在多个临床研究中被证实,未来仍然需要开展更大规模的研究。


因此,为了实现风险的最小化,必须对质量控制、分化方案、注射细胞数量和注射途径等进行深入探索,并建立规范化流程。


中风的细胞治疗在可预见的未来有巨大的潜力,为患者提供一种保命及功能恢复的手段。目前正在开发遗传和药理学工具,以确保移植细胞精确定位到大脑受损区域。总之,中风的细胞疗法前途无限,但仍需开拓!




参考文献:

[1] Rust R, Tackenberg C. Stem Cell Therapy for Repair of the Injured Brain: Five Principles [published online ahead of print, 2022 Aug 13]. Neuroscientist. 2022;10738584221110100.

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35968796/

[2] Feigin VL, Brainin M, Norrving B, et al. World Stroke Organization (WSO): Global Stroke Fact Sheet 2022 [published correction appears in Int J Stroke. 2022 Apr;17(4):478]. Int J Stroke. 2022;17(1):18-29.

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34986727/

[3] Kokaia Z, Llorente IL, Carmichael ST. Customized Brain Cells for Stroke Patients Using Pluripotent Stem Cells. Stroke. 2018;49(5):1091-1098.

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29669871/

[4] Macías-Sánchez MDM, Morata-Tarifa C, Cuende N, et al. Mesenchymal Stromal Cells for Treating Steroid-Resistant Acute and Chronic Graft Versus Host Disease: A Multicenter Compassionate Use

Experience [published online ahead of print, 2022 Mar 28]. Stem Cells Transl Med. 2022;szac003.

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35348788/


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