骨髓干细胞动员治疗脑缺血损伤促进血管新生的研究现状

　　作者：张新峰,李建生,刘敬霞　　作者单位：河南中医学院老年医学研究所,河南 郑州 450003

　　【关键词】 骨髓干细胞,动员,脑缺血,血管新生

　　脑血管疾病是一种高致残、高复发的常见病,严重危害老年人的生命健康和生存质量，我国脑血管病居三大死亡原因(脑血管病、心脏病、癌症)首位,其中缺血性脑血管病占60%～80%〔1〕。脑血管闭塞以后,缺血区血管增生,其增生的范围和程度直接关系到缺血半暗带血流的改善,影响神经元生理功能的恢复〔2〕。治疗性血管新生方法的出现,开辟了一条通向缺血性脑血管病再血管化的新途径〔3〕。采用生物学技术动员骨髓干细胞(BMSCs)迁移至损伤的脑组织，促进毛细血管新生，改善血流灌注，修复损伤组织，降低死亡率，提高生存质量已成为近年来脑血管病研究领域的热点。本文就骨髓干细胞动员治疗脑缺血损伤促进血管新生方面的研究现状作一综述。

　　1 骨髓干细胞的分类及特征

　　BMSCs是一种多潜能干细胞，在不同的诱导条件下可以向各种组织分化，并且在特定的微环境中横向分化为其他类型的组织和器官。目前认为，BMSCs主要含造血干细胞(hematopoietic stem cells，HSCs)，基质干细胞(MSCs) 和血管内皮前体/祖细胞(endothelial progenitor cells，EPCs)〔4〕3个细胞群：① HSCs可来源于骨髓，具有自我更新的能力，能形成机体所有类型的血细胞。研究发现，HSCs具有“可塑性”、“横向分化”潜能，可被诱导分化成其他组织，如脑、神经细胞〔5〕、心肌及血管内皮细胞等。② MSCs指一群具有向成骨细胞、成软骨细胞、成脂肪细胞、骨髓基质甚至肝细胞和神经细胞等多种分化潜能的多能干细胞〔5〕。骨髓MSCs是由骨髓组织干细胞或前体细胞和躯体组织干细胞组成的成分及功能复杂的细胞群体〔6〕。③EPCs是指出生后机体中存在的能特异性归巢于血管新生组织并分化为内皮细胞的一群干/祖细胞。EPCs类似于胚胎发育中生成血管的成血管细胞,研究显示存在来源于骨髓的内皮祖细胞,它参与重症缺血区血管的形成。

　　2 骨髓干细胞动员及其对脑缺血损伤的保护作用

　　2.1 骨髓干细胞动员的过程与环节 骨髓干细胞动员，广义上，指通过机体本身的代偿机制即内源性动员以及外界人为因素干预，促使BMSCs迁移到骨髓外，以增加循环血液中干细胞的数量;狭义上，主要指通过使用动员剂进行干预使骨髓干细胞释放并迁移到外周血。目前认为骨髓干细胞动员治疗脑缺血损伤的过程包括动员、归巢和分化3个环节。①动员：干细胞动员剂通过改变BMSCs与骨髓基质间的相互作用,这一阶段涉及一系列细胞黏附分子和趋化因子、生长因子等的相互调节反应,影响干细胞的黏附、迁移和定居特性,使干细胞穿过基质膜和血管内皮层进入循环血流中,致外周血中的干细胞数增加〔7〕。②归巢：干细胞向缺血区定向迁移，称为干细胞归巢。动员的干细胞需要向缺血区定向迁移,才可能完成损伤修复。一般认为,BMSCs抵达靶器官发挥修复作用需要两个必备条件:新近靶器官受损;循环骨髓干细胞数量足够多〔8〕。但目前干细胞向缺血损伤组织归巢的具体趋化、黏附途径及中心环节有待进一步探讨。③ 分化：“环境诱导分化”观点认为，缺血损伤区的微环境为决定干细胞分化的关键因素〔9〕。BMSCs分化潜能好，一定条件下能跨胚层分化为神经组织/神经细胞〔10〕。

　　2.2 骨髓干细胞动员对脑缺血损伤的保护作用 骨髓干细胞动员治疗缺血损伤的构想是基于人们对骨髓干细胞“可塑性”认识：BMSCs可以分化为多种组织细胞,在生理或病理情况下可能被“征募”到循环中参与远处多种组织的修复和再生,其“可塑性”表现为很强的环境依赖性;这种内源性动员作用较弱，可以应用动员剂将 “动员” 骨髓干细胞入血，使外周血干细胞达到治疗数量，并“归巢”于损伤组织，在特定地组织微环境作用下“分化”为受损组织细胞的特性，达到修复缺血损伤的作用。骨髓干细胞动员治疗缺血损伤作用机制存在较多争议，其可能机制是：①分化为神经细胞：BMSCs分化为神经元细胞，替代/修复损伤的细胞，重建了神经环路。研究显示，动员大鼠自体HSCs，促进其向脑缺血区迁移,可以分化为神经元前体细胞〔11〕。②血管新生：BMSCs中包含有EPCs，缺血性损伤及干细胞动员剂能动员EPCs到外周血液中，并归巢到缺血组织，分化成内皮细胞，形成新血管。实验证实，BMSCs参与了缺血性脑损伤区的新血管形成〔12〕。③分泌细胞因子和或神经递质：动员出来的BMSCs与宿主相互作用而分泌一些细胞因子和或神经递质来促进神经功能的恢复。MSCs能够不断分泌脑衍化神经营养因子、神经生长因子以及转化生长因子β等神经营养因子〔13〕,对缺血后的脑组织起到神经保护作用。④抑制神经细胞凋亡：动员HSCs对脑缺血再灌注损伤的干预作用,部分机制可能是通过下调CFOSmRNA的表达进而降低神经细胞凋亡而实现的〔14〕。BMSCs 通过激发受损神经元内源性存活信号途径，抑制神经细胞凋亡的发生;而且这些受到刺激的神经细胞与BMSCs的相互作用进一步增强了神经保护作用〔15〕。

　　3 骨髓干细胞动员促进脑缺血损伤后微血管新生

　　3.1 骨髓干细胞动员对脑缺血损伤后血管新生促进作用 血管新生,指在机体缺血损伤组织中已存在的血管床上,促进内皮细胞发芽长出新枝,形成毛细血管网;包括血管生成和血管发生.血管生成,即由原先存在的血管内皮以出芽、分裂、增殖等方式形成毛细血管网。血管发生,即由EPC原位分化为原始毛细血管网。血管新生与HSCs、EPCs、其他成血管细胞以及多种生长因子高度相关〔16〕。粒细胞集落刺激因子(GCSF)是BMSCs强有力的动员剂，具有同时动员HSCs和MSCs、EPCs的能力〔17〕,因此,应用GCSF动员BMSCs,则有可能使骨髓中包括EPCs在内的多种干细胞成分归巢于梗死灶,参与血管新生。BMSCs可以合成/分泌多种细胞因子，如血管内皮生长因子(VEGF),干细胞因子(SCF)，GCSF,内皮型一氧化氮合酶，基质细胞衍生因子(SDF1)等，这些细胞因子促进了EPCs迁移、分化和血管新生〔18〕。HSCs与血管新生密切相关，并参与血管新生过程，Dimmeler等〔19〕发现，CD34+HSCs在一定条件下能横向分化为EPCs。HSCs以旁分泌或自分泌形式分泌血管生成素Ⅰ(angⅠ)，并以剂量依赖方式促进内皮细胞迁移,且诱导内皮细胞朝着产生AngⅠ的方向移动,同时有助于EPCs植入组织中,启动和促进血管新生〔20〕。

　　3.2 骨髓干细胞动员促进血管新生的机制 骨髓干细胞动员可以促进脑缺血损伤大鼠血管新生,其可能机制：①骨髓中包括EPCs在内的多种BMSCs成分被动员、归巢到脑缺血区,缺血环境使EPCs分化为内皮细胞,引起血管新生。Shyu等〔21〕研究发现,大鼠脑梗死时，动员BMSCs到外周血，并迁移到脑组织,促进了损伤区血管新生,缩小梗死体积,改善神经功能。张子强等〔22〕认为,自体骨髓干细胞动员,能够促进大鼠脑组织缺血区的血管新生,改善缺血局部血流灌注并促进其脑功能的恢复,其机制应该是部分动员的EPCs“归巢”到脑缺血区并分化形成新生血管。②上调促血管生长因子的表达,持续稳定地促进血管新生,促进功能恢复。生理状态下,机体内血管一经生成即保持高度的稳定性,受到许多具有正、负向调节性质的关键分子即促血管生长因子和抑血管生长因子的调控,使血管的生长与退缩维持在动态的平衡状态。促血管生长因子包括VEGF、碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)、血小板源性生长因子(PDGF)、表皮生长因子(EGF)、转化生长因子(TGF)、肿瘤坏死因子α(TNFα)等。VEGF是主要作用于血管内皮细胞的生长因子,具有促进内皮细胞增殖、增加微血管通透性、诱导血管生成等多种功能〔23〕。Jung等〔24〕研究证实，干细胞动员剂GCSF可激活STAT3、STAT5,增加VEGF及其受体VEGFR2(Flk1)的表达,刺激成年鼠脑内皮细胞的增殖。骨髓干细胞动员疗法可通过上调VEGF和Flk1的表达,促进血管新生〔25〕。

　　3.3 影响骨髓干细胞动员保护脑缺血损伤及促进血管新生的因素 生理条件下干细胞处于静息状态,机体外周血循环中仅有极少量干细胞;当机体内环境发生改变，如缺血缺氧、外伤、氧化、应激、内毒素、剧烈运动等因素可使骨髓释放干细胞至外周血，增加外周血干细胞数量，即“内源性”BMSCs动员。动员的BMSCs可以感知靶器官的损害，自动迁移到损伤区域增殖分化，促进血管新生，修复受损器官的结构和功能。同时，缺血、缺氧、组织坏死、炎症等病理性反应促使实质细胞和炎症细胞合成并释放VEGF、FGF2等促血管因子,动员并趋化EPCs;研究发现〔26〕，脑缺血损伤局部VEGF、bFGF表达增加,对干细胞归巢可能起到相应的调节作用,从而增强缺血局部的神经和血管新生。干细胞动员剂，能有效地动员BMSCs，同时某些动员剂能作用于促血管生长因子，促进血管新生。根据血液发生学，干细胞动员剂可分为3种：①作用于干细胞和早期祖细胞的造血细胞生长因子，如干细胞因子、bFGF、IL6及IL11等。②多系祖细胞刺激因子，如IL3及巨噬细胞集落刺激因子(GMCSF)。③作用于晚期祖细胞的生长因子，如促红细胞生成素、GCSF、SDF1、单核细胞刺激因子、IL5及血小板生成素。GCSF是BMSCs强有力的动员剂，联合应用GCSF和低分子硫酸葡聚糖对干细胞动员具有协同作用,可在较短时间内使外周血干细胞较正常升高数十至数百倍〔27〕。GMCSF能诱导大脑低灌注模型大鼠血管新生〔28〕。SDF1在脑缺血BMSCs归巢中起主要作用〔29〕,它同时具有削弱EPCs凋亡,增强EPCs在缺血组织中的血管新生的作用〔30〕。

　　中医药对血管新生方面进行了有意义的尝试。文献报道，黄芪多糖能够促进小鼠骨髓中HSCs的动员及增殖〔31〕，麝香保心丸具有促进血管新生作用〔32〕，当归可促进缺血性脑损伤后血管生成〔33〕。中医药联合骨髓干细胞动员的报道尚不多见，目前的研究较为薄弱，中医药促进血管新生是否通过影响BMSCs动员而发挥作用，有待进一步深入研究。

　　综上所述，BMSCs动员治疗缺血性脑损伤具有巨大的潜力，但目前仍存在一些问题：BMSCs动员剂的选择与联合应用问题;最佳动员时间窗的选择及动员剂副作用的观察和预防问题;如何在体内实现BMSCs动员后向脑缺血损伤区域归巢的靶向性和高效性;BMSCs动员、归巢和分化机制的探讨;血管新生机制的探讨;中医药对干细胞动员及血管新生的影响和确切作用机制的探讨。随着问题的进一步解决，BMSCs动员对脑缺血损伤的治疗将具有广阔的应用前景。

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