乾貨 | 利用幹細胞療法治療脊髓損傷進展梳理

當皮膚上有傷口時，因為存在皮膚幹細胞，它很快能再生皮膚細胞、癒合傷口。

當口腔黏膜出現傷口時，由於存在口腔粘膜幹細胞，它也能夠很快通過再生而癒合，完全恢復它的初始狀態，而且癒合時間只需幾天，跟人的年齡無關。

但是成年人的神經系統在脊髓損傷后很難自我修復。這也不同於發育中的大腦和非哺乳動物，因為它們在遭受嚴重損傷后能夠修復和再生。

脊髓損傷（spinal cord injury）是一種較為常見的、但是後果嚴重的外傷。數據顯示，每年脊髓損傷的患者人數超過12萬人。脊髓損傷通常會造成受傷部位以下部分或全部癱瘓，使患者終身殘疾。高位損傷，如頸椎受傷患者生活無法自理，給患者及其家庭帶來嚴重的負擔。

儘管先後嘗試后將神經幹細胞移植入受損脊髓，並給模式動物服用藥物來控制分化的細胞類型，效果雖然顯著，但是仍需進一步改進而且當在人類身上進行移植時效果如何尚未可知。

不過研究人員先後發現在脊髓中發現不同的幹細胞類型：髓腔膜幹細胞/祖細胞和放射狀神經膠質細胞，為人類利用幹細胞治療提供新的希望。

相信隨著人類對生物機理的認識越來越深刻，再結合體育鍛煉和施加藥物等輔助治療，人類一定會在將來某一天找到一種理想的幹細胞治療方案。

1.幹細胞療法改善癱瘓患者運動功能

圖片來自openwetware.org

近日，美國生物技術公司Asterias Biotherapeutics公布了其針對脊髓損傷的新型幹細胞療法AST-OPC1在6名完全癱瘓的患者中的1/2a期臨床試驗的最新數據。[1]

這些患者在接受了1000萬個細胞注射9個月後，其中3名患者的手臂、手掌和手指運動功能出現明顯的進步。

AST-OPC1在該試驗中也展現了良好的安全性，沒有出現任何嚴重副作用。

這些數據在波士頓舉行的國際幹細胞研究學會（International Society for Stem Cell Research）2017年會上得到了公布。

Asterias公司開發的新型幹細胞療法AST-OPC1是一種由人胚胎幹細胞分化而來的少突膠質細胞前體細胞。動物實驗發現，這種前體細胞能夠在脊髓受傷部位發揮多種修復作用，包括分泌神經營養因子、促進血管形成以及刺激神經軸突上的髓鞘再生。在脊髓損傷的動物模型中，AST-OPC1能夠有效改善四肢的運動功能。

正在進行的代號為SCiStar的1/2a期臨床試驗是一項開放標記的單臂試驗，共測試三種不同劑量的AST-OPC1細胞。試驗對象是頸椎第5到第7節（C5-C7）受傷患者，在受傷后的第14到30天之間接受治療。此次數據中包括的6位患者均為嚴重受傷患者，受傷部位以下既無運動功能，也無感覺，他們接受了中間劑量，也就是1000萬個細胞注射。

這項試驗的主要終點是接受治療后1年內的安全性，到目前為止，還沒有出現任何嚴重副作用。試驗的次要終點是使用脊髓損傷神經分類國際標準（ISNCSCI）對患者的運動功能進行評估。之前的研究顯示，頸椎受傷后癱瘓的患者，如果至少一側上肢功能出現ISNCSCI兩個級別以上的改善，就意味著他們能夠恢復包括進食、更衣和洗澡在內的基本日常生活能力，這對於患者的日常護理來說是一個顯著的改變。在這6名患者中，9個月時有3名患者（50%）至少一側的上肢功能達到了兩個級別的改善，比6個月時的2人增加了1人。歷史數據顯示，在這類患者中，受傷后12個月僅有29%的患者能達到兩個級別的改善。此外，所有患者的上肢運動評分平均值在9個月時也比6個月時有明顯的進步。

2.神經幹細胞療法或有望治療機體脊髓損傷

近日，來自卡達、美國、埃及等多個國家的研究人員通過研究發現，在注射神經幹細胞的數個月後，大鼠損傷的脊髓結構就會表現出組織再生的跡象；來自卡達大學生物醫學研究中心的研究者Hany Marei表示，據估計，全球大約有250萬人會因多種類型事故和跌落而患上脊髓損傷，我們還需要進行更多研究來調查幹細胞在治療包括脊髓損傷等多種類型神經疾病上的潛力。[2]

研究小組從大腦嗅球結構中分離到了特殊的神經幹細胞，這些幹細胞能夠特異性地分化成為神經組織，當患者進行手術分離腦部腫瘤期間研究者就能夠從患者大腦中分離出嗅球結構；這項研究中，研究者首先對神經幹細胞進行遺傳工程化操作使其攜帶一種能夠在顯微鏡下發熒光的蛋白，隨後對這些幹細胞進行培養，他們發現這些幹細胞能夠分化成為多種類型的神經系統細胞。

接下來研究者將這些幹細胞注射到脊髓被切斷的大鼠機體中，隨後對大鼠損傷區域的組織樣本進行定期檢測（一直持續到第八周），研究者將未接受幹細胞注射大鼠的研究結果、接受幹細胞注射的大鼠的相關研究、以及接受假手術（並沒有完全切除脊髓）的大鼠的研究結果進行對比，在對照組中他們並未觀察到任何組織恢復的跡象；然而在接受神經幹細胞注射的損傷大鼠機體中研究者發現，這些幹細胞能夠分化為三種類型神經細胞：少突神經膠質細胞、星狀細胞以及神經元細胞；星狀細胞主要負責產生保護神經細胞的保護性髓鞘結構；同時研究者還發現這些大鼠並沒有任何免疫排斥的跡象。

然而在損傷導致後肢運動癱瘓的大鼠中研究者也並未觀察到任何功能恢復或改善的跡象。本文研究結果表明，在脊髓損傷位點注射幹細胞能夠幫助產生相對正常的神經元細胞以及其它神經組織元件，但後期他們還需要進行更為深入的研究來促進機體運動能力的恢復；最後研究者Marei說道，其中一種可能性就是，八周時間（本文研究的上限）或許並不足以幫助恢復損傷的神經束和神經迴路。

3.PNAS：新發現可有助於修復脊神經損傷

來自Gladstone研究所的研究者們利用人體的幹細胞創造出了一種特殊的神經元，這類神經元具有修復脊髓神經損傷的能力。

這些被稱為"V2a"的神經元能夠在脊髓中傳遞信號，進而幫助控制運動。當研究者們將細胞移植到小鼠的脊髓中后，這些神經元能夠快速生長並與已有的細胞結合。[3]

V2a神經元依賴於大腦向脊髓傳遞的信號，進而能夠與運動神經聯繫控制肢體的運動。該類神經元的損傷會導致大腦與肢體之間的聯繫的缺失，進而導致癱瘓的發生。

在目前的這項研究中，研究者們首次成功地分化得到了V2a神經元細胞。通過將一種化合物"雞尾酒"緩慢地與幹細胞混合培養之後，這些細胞能夠分化成為形成V2a神經元的前體細胞。通過調節不同化合物的比例，研究者們優化了其培養方案，創造了大量的V2a間質神經元細胞。

4.神經再生膠原支架+幹細胞，治療脊髓損傷新希望！

戴建武再生醫學團隊早前發現了脊髓損傷微環境能夠抑制神經幹細胞定向神經元分化（Wang et al.， PLoS One， 2008）。

隨後戴建武團隊研製了能誘導神經幹細胞向神經元分化的膠原支架，並證實其在脊髓損傷大鼠體內可以誘導移植的外源神經幹細胞向神經元分化 (Li et al.， Biomaterials， 2013)。最近，戴建武組研究團隊發現通過控釋技術建立的智能神經再生膠原支架在大鼠脊髓損傷區明顯促進內源性神經元發生和運動功能恢復（Fan et al.， Acta Biomaterialia， 2017）。同時，他們發現該智能神經再生支架還能結合移植的神經幹細胞使其最大限度地保留在損傷區域內，避免了細胞的擴散（Xu et al.， Advanced Healthcare Materials， 2017，封面文章）。

團隊與天津武警醫院和湘雅醫院進行合作，動態分析了大鼠和比格犬脊髓損傷后內源神經幹細胞的激活和遷移特徵，並將智能神經再生膠原支架移植到急性及陳舊性脊髓全橫斷損傷的比格犬模型之中，均能有效促進脊髓損傷區內神經元的發生、成熟、神經纖維再髓鞘化、突觸形成及犬行為學恢復。該研究結果表明通過重塑脊髓損傷微環境來引導內源性神經元的發生可以有效促進脊髓損傷動物的功能恢復（Li et al.， Biomaterials， 2017；Li et al.， Scientific Reports， 2017）。

智能神經再生膠原支架在體外和移植到大鼠脊髓損傷區均能促進神經纖維再生

基於以上一系列研究，團隊系統描述了脊髓損傷后內源神經幹細胞的激活和遷移特徵；並證明引導神經幹細胞定向神經元分化形成神經橋接是脊髓損傷再生修復的主要機制，為神經再生膠原支架的臨床轉化提供了理論支持。

內源神經幹細胞能夠響應損傷而被大量激活且其向神經元的分化可被EGFR抗體定向誘導

戴建武再生醫學團隊於2015年1月在國際上首次開展了神經再生膠原支架移植治療陳舊性完全性脊髓損傷的臨床研究，術中首次清理了瘢痕組織並移植了神經再生膠原支架，首批5例患者經過1年的安全性評估未發現與瘢痕清理和神經再生膠原支架移植相關的不良反應（Xiao et al.， Sci China Life Sci， 2016）。他們開展的首批4例急性完全性脊髓損傷患者術后均出現運動功能改善。在完全性陳舊性損傷患者中，同樣發現部分患者出現感覺功能和運動功能的改善以及神經傳導的恢復（Zhao et al.， Cell Transplantation， 2017）。

戴建武研究員認為，脊髓損傷術后內源神經幹細胞的激活、遷移及分化是脊髓損傷修復的重要步驟，該機理同樣適用於其它組織器官的再生修復。【4】【5】【6】

5.Science：揭示脊髓準確發育的機制

在一項新的研究中，來自英國弗朗西斯-克里克研究所、奧地利科學技術學院和瑞士洛桑聯邦理工學院的研究人員報道，在正在發育的小鼠胚胎內，註定要變成神經細胞的神經祖細胞（neural progenitor cell, NPC）利用兩種不同的從脊髓相對的側邊（腹側和背側）進行擴散的形態發生素（morphogen）信號準確地測定它們的位置。基於此，它們轉化為正確的神經細胞類型。相關研究結果發表在2017年6月30日的Science期刊上。【7】

這些研究人員發現這兩種起源自體內腹側和背側的信號水平影響發育中的神經細胞的基因活性。基於早期發育中的這種基因活性，這些神經祖細胞轉化為脊髓中某個位置的正確的神經細胞類型。

6.PLoS Med：移植神經幹細胞有望治療脊髓損傷

Jun Yan等人於2007年2月發表論文證實移植到大鼠受損脊髓中的人神經幹細胞存活下來，並進行生長，在某些情況下還與大鼠自己的脊髓細胞形成連接，這就推翻了長期堅持的脊髓不能允許神經修復的觀念。

在約翰斯·霍普金斯實驗室里，研究人員給麻醉的大鼠施加不同程度的脊髓損傷產生損傷病灶或者殺死運動神經元或者進行假手術(sham surgery)。他們改變實驗條件來觀察脊髓損害的存在與否對人幹細胞移植物的存活和成熟有影響。在產生損傷病灶或假手術兩周之後，他們注射人神經細胞到每隻大鼠脊髓的左側。

注射三周之後，研究人員證實一些移植細胞分化成支持性細胞，而不是神經細胞，但是大多數移植細胞都變成成熟的神經細胞。高功率顯微鏡檢查顯示這些神經細胞與大鼠自己的脊髓細胞之間出現連接。但是這種連接是否能傳遞神經信號讓大鼠重新行走，研究人員仍不清楚。注射三周之後，他們發現人細胞數量是注射進受損脊髓時的3倍多，這就意味著它們不僅存活下來，而且至少分裂兩次形成更多的細胞，此外它們不僅在初始注射區域附近生長，也遷移到一個更大的脊髓區域。

7.PNAS：揭示netrin-1排斥幹細胞到達脊髓損傷位點

Audrey Petit等人於2007年11月發表論文證實在成年人脊髓損傷后脊髓中幹細胞遷離損傷位點的原因：netrin-1特異性地排斥幹細胞遠離受損位點，因而阻止幹細胞分化補充神經細胞，從而為利用幹細胞重構損傷脊髓邁出第一步。

既然幹細胞具有發育成不同細胞類型的潛力，人們已經知道脊髓中存在幹細胞，但是它們為何不能再生受損的神經系統呢？令人吃驚的是，研究發現，這些幹細胞在脊髓受損后不是移向受損位點，而是遷離受損位點，那麼是什麼信號指示它們離開呢？

通過的是眾多蛋白質，研究人員最終鑒定出一種關鍵性分子netrin-1，在脊髓受損后，它能導致脊髓中的幹細胞採取這種遷移模式。在發育中的神經系統里，netrin-1作為一種排斥性或吸引性信號，知道神經細胞到達它們合適的目的地。而在成年人脊髓中，netrin-1特異性地排斥幹細胞遠離受損位點，因而阻止幹細胞分化補充神經細胞。當阻斷netrin-1的功能，這些成體幹細胞(adult stem cells)保持在受損位點。這是理解修復受損脊髓所需的分子機制中的關鍵性第一步，為人們找到潛在性的治療方法提供一個新的作用靶標。

8.Stem Cells：發現脊髓新修復其損傷的髓腔膜幹細胞/祖細胞

新研究已發現脊髓中的髓腔膜幹細胞/祖細胞(ependymal stem/progenitor cells, epSPCs)，在實驗室進行動物移植測試時，能夠修復與脊髓損傷相關聯的癱瘓。脊髓損傷后，epSPCs進行增殖，並被招募到特異性的損傷區域。當動物進行epSPCs移植后，它們在對遭受脊髓損傷的動物中再生速度要比健康的對照動物快10倍。

當損傷區域形成損傷灶(lesion)時，epSPCs這種再生機製得到激活。帶有損傷灶的實驗動物接受接受epSPCs移植時，這些幹細胞更有效地分化為所需的寡樹突膠質細胞和其他細胞類型來恢復神經元功能。

成年人脊髓中這些幹細胞的存在暗示著人們可能利用幹細胞相關聯的機制來修復人脊髓損傷。人體擁有一些工具來修復受損的脊髓。人類需要成體幹細胞和胚胎幹細胞來理解人體，並將這種知識應用於再生性醫學當中。人們還需進一步更加細節化地研究人體內的機制，這樣幹細胞才能被更好地動員起來治療脊髓損傷。

9.JCI：丙戊酸可促進移植的神經幹細胞分化為神經元

日本奈良先端科學技術大學的研究人員利用模式小鼠進行的研究可能有望採用神經幹細胞(neutral stem cells, NSCs)來治療遭受嚴重性脊髓損傷的個人。在這項研究中，遭受脊嚴重性髓損傷的小鼠接受NSCs移植，同時服用一種治療癲癇的藥物丙戊酸(valproic acid)。丙戊酸促進NSCs分化為神經元，而不是神經膠質細胞(glial cells)。這種結合治療導致小鼠後肢運動功能得到極大恢復。研究人員希望利用這種方法操縱移植過來的NSCs的命運，比如通過服用丙戊酸讓它們分化為神經元，能夠開發為一種有效地治療嚴重性脊髓損傷的醫學技術，若想要推廣到人的話，在此之前還需進一步的研究。

10.Cell Stem Cell：在脊髓中發現一類新的幹細胞---髓腔膜細胞

人們希望對脊髓和大腦的損傷有朝一日利用能夠分化為不同細胞類型的幹細胞進行治療。人們在成年人神經系統大部分地方都找到幹細胞樣細胞(stem cell-like cells)，儘管仍不清楚它們多大程度上造成新的功能性細胞形成。來自法國和日本的研究人員相互合作，研究成果發表在《Cell Stem Cel》雜誌上，表明幹細胞和幾種其他細胞類型如何造成小鼠新脊髓細胞的形成，而且在遭受創傷后，這種情形如何急劇變化。

研究人員在脊髓中鑒定出一種幹細胞類型，即髓腔膜細胞(ependymal cell)。他們證實這些細胞在健康脊髓中是失活的，它們主要是通過更多成熟細胞的分裂而產生的。當脊髓損傷時，這些幹細胞被激活，成為新細胞的主要來源，它們產生形成瘢痕組織的細胞以及一種支持細胞類型---脊髓發揮功能的一個重要組分。研究人員還證實在骨髓損傷后，某種稱作星形膠質細胞(astrocytes)的成熟細胞產生大量瘢痕形成細胞(scar-forming cells)。這些幹細胞對損傷的脊髓有著一定程度的正面影響，但是還不足以讓脊髓功能得到恢復。那麼是否可以找到一些藥用化合物刺激它們形成更多的支持細胞以便使得脊髓遭受創傷后功能性恢復得到改善。

11.J Neurotraum：阻斷RhoA蛋白可促進受損的脊髓組織癒合和恢復

神經病理性疼痛是由於脊髓損傷造成的，經常與表達水平增加的RhoA相關聯。當脊髓損傷后，蛋白RhoA表達水平增加，而RhoA能夠阻止通過脊髓傳遞信號的神經細胞再生，從而阻止受損脊髓組織癒合。來自凱克協作神經科學中心(W.M. Keck Center for Collaborative Neuroscience)和Quark醫藥公司(Quark Pharmaceuticals Inc.)的科學家們開發出一種化學合成的siRNA分子，然後採取一種類似於脊椎穿剌(spinal tap)的方法，將這些siRNA分子注射入實驗室大鼠受損脊髓中，能夠降低蛋白RhoA的產生，允許神經細胞的再生，從而改善受損的脊髓組織癒合和恢復。由於目前還沒有用於治療早期脊髓損傷的藥物獲得審批，Quark醫藥公司基於這一發現，正在制定一個藥物開發計劃來治療脊髓損傷和神經病理性疼痛。

12.PLoS ONE：發現一類新的脊髓幹細胞---放射狀神經膠質細胞

來自英屬哥倫比亞大學(University of British Columbia)、蒙特利爾神經學研究所、麥吉爾大學醫院和美國西雅圖艾倫腦科學研究所( Allen Institute for Brain Science )的研究人員利用艾倫腦科學研究所開發的在線艾倫脊髓圖譜(Allen Spinal Cord Atlas)---一種精細描述的整個小鼠脊髓全基因組的基因表達圖譜---拓寬搜索，接著沿著小鼠脊髓外邊緣這一不同尋常的位置發現了神經幹細胞基因表達，進一步分析后發現在該位置上存在一種全新的細胞類型，即幹細胞樣放射狀神經膠質細胞，能夠作為神經幹細胞發揮作用，也可能在脊髓損傷和諸如括多發性硬化症和肌肉萎縮性側面硬化病之類的脊髓疾病中起著重要作用。

放射狀神經膠質細胞(radial glial cells, RGCs)的一大特徵就是較長的突出部分，而且這些突出部分能夠延伸到大腦組織。這些由RGCs組成的長鏈是一個潛在性希望的修復網路，再因為它們所處的獨特位置，可能將它們激活來幫助人們從脊髓損傷或脊髓疾病中恢復過來，同時也能確保副作用最小化。當有機體處於胚胎階段時，RGCs有助於構建大腦和脊髓，在數量上遠遠超過脊髓中的其他潛能性幹細胞，也就更容易獲得。但是由於某些原因，它們在成年人中不能被非常有效地再激活，解決之道就是找到一種刺激它們的方法，當需要時它們能重新發揮產生新的神經細胞的作用。

之前人們對中樞神經系統中脊髓幹細胞的搜尋一直聚焦於脊髓深處，從而沒有在成年人脊髓中發現放射狀神經膠質細胞，這是因為RGCs所處的位置特殊，同時也是因為當時科學家們所能接觸到的信息有限。此外，他們還利用該圖譜對成年人脊髓放射狀神經膠質細胞的基因表達譜和其他神經幹細胞的基因表達譜進行比較，發現它們共享122個基因構成的標記性組合，從而表明這些細胞非常類似於典型的神經幹細胞。而且這其中的幾個基因一旦發生突變能夠造成一些人類疾病發生。這一發現可能為潛在性的基因治療---即用RGCs產生的更加健康的細胞替換突變的功能失常的脊髓細胞---或者通過激活某些基因以便促進這些細胞重建成年人受損的脊髓網路提供希望。

資料來源：

【1】http://www.prnewswire.com/news-releases/patients-with-complete-paralysis-show-additional-recovery-of-arm-hand-and-finger-function-at-9-months-after-treatment-with-asterias-ast-opc1-300472759.html

【2】https://medicalxpress.com/news/2017-05-neural-stem-cell-therapies-eventually.html

【3】http://www.pnas.org/content/114/19/4969.abstract

【4】Li Xing， Zhao Yannan， Cheng Shixiang，Han Sufang， Shu Muya， Chen Bing， Chen Xuyi， Tang Fengwu， Wang Nuo， Tu Yue， WangBin， Xiao Zhifeng， Zhang Sai， and Dai Jianwu. Cetuximab modified collagenscaffold directs neurogenesis of injury-activated endogenous neural stem cellsfor acute spinal cord injury repair. Biomaterials.

【5】Li Xing， Tan Jun， Xiao Zhifeng.， Zhao Yannan，Han Sufang， Liu Dingyang， Yin Wen， Li Juan， Li Jing， Wanggou Siyi， Chen Bing，Ren Caiping， Jiang Xingjun， and Dai Jianwu. Transplantationof hUC-MSCs seeded collagen scaffolds reduces scar formation and promotesfunctional recovery in canines with chronic spinal cord injury. Scientific Reports.

【6】FanCaixia， Li Xing， Xiao Zhifeng， Zhao Yannan， Liang Hui， Wang Bin， Han Sufang， LiXiaoran， Xu Bai， Wang Nuo， Liu Sumei， Xue Weiei， and Dai Jianwu. Directedneuronal differentiation of injury-activated endogenous neural stem cells foracute spinal cord injury repair. ActaBiomaterialia.

【7】http://science.sciencemag.org/content/356/6345/1379

【8】http://www.bioon.com/biology/biomed/451511.shtml