間充質(zhì)干細(xì)胞在神經(jīng)病理性疼痛中的作用及機(jī)制研究

劉太聰, 史永強(qiáng), 張海鴻

(蘭州大學(xué)第二醫(yī)院 骨科, 甘肅 蘭州, 730030)

疼痛是身體對(duì)有害刺激的不愉快反應(yīng)，如外部傷害和內(nèi)部疾病，其對(duì)于身體規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。慢性疼痛被定義為愈合后持續(xù)存在的疼痛，或無組織損傷的情況下持續(xù)存在的疼痛，且通常持續(xù)時(shí)間超過3個(gè)月[1]。成年人慢性疼痛的發(fā)病率為11%～19%, 其中神經(jīng)病理性疼痛(NP)占慢性疼痛的20%～25%[2]。NP病因復(fù)雜[3], 治療方法多種多樣，目前主要包括藥物治療、手術(shù)治療等方法[4-5]。盡管NP的治療已取得重要進(jìn)展，但仍缺乏安全有效的針對(duì)性治療方案。近年來，干細(xì)胞療法逐漸得到研究者[6]的重視, 但其在NP中的分子機(jī)制非常復(fù)雜，因此，全面深入地了解NP的發(fā)病機(jī)制和間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)的分子機(jī)制非常重要。

1 NP的發(fā)病機(jī)制

機(jī)體受到傷害后，局部穩(wěn)態(tài)發(fā)生變化，外周傷害感覺神經(jīng)元檢測(cè)到有害刺激并被激活，這些傷害感受器的胞體位于背根神經(jīng)節(jié)或三叉神經(jīng)節(jié)，將中央投射纖維延伸至脊髓背角和三叉神經(jīng)核，在那里通過各種神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)肽將傷害信息傳遞給傷害性投射神經(jīng)元，這種傳遞是通過興奮性和抑制性中間神經(jīng)元組成的復(fù)雜神經(jīng)回路直接或間接發(fā)生的[7]。然后，這些傷害性投射神經(jīng)元將信息投射到腦干和參與處理痛覺的大腦高級(jí)區(qū)域[8]。長(zhǎng)期以來，人們認(rèn)為NP發(fā)生在神經(jīng)細(xì)胞之間，然而越來越多的證據(jù)[7, 9-14]表明神經(jīng)炎癥和免疫系統(tǒng)對(duì)NP的發(fā)生與維持具有重要作用。

神經(jīng)炎癥由外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的膠質(zhì)細(xì)胞(包括星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞等)及免疫細(xì)胞(包括肥大細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞)的激活引起[15-17]。小膠質(zhì)細(xì)胞是維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及功能的免疫細(xì)胞[18], 其中脊髓背角中激活的小膠質(zhì)細(xì)胞在神經(jīng)損傷、癌癥、糖尿病等引起的NP中起關(guān)鍵作用?；罨男∧z質(zhì)細(xì)胞可釋放炎癥因子[如腫瘤壞死因子、白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)和趨化因子]、腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(BDNF)及神經(jīng)遞質(zhì)等，直接和間接地影響神經(jīng)元功能導(dǎo)致痛覺過敏和異常疼痛[8, 19-21]。

2 MSC概述

干細(xì)胞包括胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞，其中胚胎干細(xì)胞是多能干細(xì)胞，可分化為胚胎結(jié)構(gòu)，而成體干細(xì)胞是具有自我更新能力的多能干細(xì)胞，可分化為不同的細(xì)胞類型[22]。1970年, FRIEDENSTEIN A J等[23]在人類骨髓中發(fā)現(xiàn)了一種罕見的基質(zhì)細(xì)胞，即MSC, 其廣泛存在于骨髓以外的組織中，包括脂肪組織、肺組織、滑膜、子宮內(nèi)膜和外周血。目前，臨床研究[24-25]中最常用的MSC主要來源于骨髓、脂肪組織和臍帶血。MSC表現(xiàn)出很高的增殖潛力、遺傳和表型穩(wěn)定性，可被輕松收集并應(yīng)用于臨床。此外, MSC還具有2個(gè)優(yōu)勢(shì)特征，一是可遷移到組織損傷部位并具有強(qiáng)大的免疫抑制特性，二是可用于自體和異體移植[1, 26]。

3 MSC對(duì)NP的治療作用

相關(guān)研究[27]建立小鼠坐骨神經(jīng)結(jié)扎NP模型，并將MSC移植到小鼠側(cè)腦室，發(fā)現(xiàn)MSC可減少小鼠疼痛行為，如機(jī)械性異常疼痛和熱痛覺過敏等，并可減少神經(jīng)系統(tǒng)中小膠質(zhì)細(xì)胞及星形膠質(zhì)細(xì)胞的表達(dá)。另有報(bào)道[28]稱，在大鼠同側(cè)神經(jīng)節(jié)內(nèi)注射骨髓MSC可顯著減輕單側(cè)坐骨神經(jīng)結(jié)扎模型的機(jī)械性疼痛。相關(guān)研究[29]報(bào)道，鞘內(nèi)注射大鼠骨髓分離出的MSC, 可減輕大鼠坐骨神經(jīng)慢性壓迫損傷(CCI)MSC模型引起的機(jī)械性異常疼痛和熱痛覺過敏，并減少IL-1β、白細(xì)胞介素-6(IL-6)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)的產(chǎn)生。近年來, MSC已被越來越多地應(yīng)用于臨床。一項(xiàng)雙盲臨床試驗(yàn)[30]結(jié)果顯示，向膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者的關(guān)節(jié)內(nèi)注射MSC可顯著減輕其疼痛癥狀。

4 MSC治療NP的潛在機(jī)制

4.1 MSC的遷移

移植的MSC需先遷移到損傷部位再發(fā)揮其對(duì)NP的鎮(zhèn)痛作用。周圍神經(jīng)損傷后，趨化因子[CXC型趨化因子配體12(CXCL12)、CXC型趨化因子配體13(CXCL13)、單核細(xì)胞趨化蛋白-1(MCP-1)]被釋放，可誘導(dǎo)移植的MSC表達(dá)相應(yīng)的趨化因子受體，如CXC趨化因子受體4(CXCR4)、CC趨化因子受體2(CCR2)和CXC趨化因子受體5(CXCR5)[31]。研究[32]表明, CXCL12/CXCR4軸介導(dǎo)鞘內(nèi)移植的骨髓MSC遷移至腰椎的背根神經(jīng)節(jié)。另一項(xiàng)研究[31]表明，骨髓MSC可通過CXCL13/CXCR5軸定向遷移至損傷同側(cè)脊髓背角表面。未來的研究還應(yīng)繼續(xù)深入了解MSC的遷移機(jī)制，這可能是提高M(jìn)SC治療效率的新靶點(diǎn)。

4.2 抗炎及免疫調(diào)節(jié)

MSC表現(xiàn)出強(qiáng)烈的免疫調(diào)節(jié)特性并可促進(jìn)傷口愈合, MSC進(jìn)入炎癥環(huán)境后分泌的腫瘤壞死因子刺激基因6(TSG-6)、白細(xì)胞介素-10(IL-10)等已被證明具有強(qiáng)烈的抗炎作用[33-34]。有研究[29]將大鼠骨髓中分離出的MSC注射到脊髓腦脊液中，減輕了CCI模型引起的機(jī)械性異常疼痛和熱痛覺過敏以及脊髓組織中的神經(jīng)炎癥，當(dāng)TSG-6表達(dá)沉默時(shí)，骨髓MSC的鎮(zhèn)痛作用及抗炎特性減弱。此外，MSC可將巨噬細(xì)胞/小膠質(zhì)細(xì)胞促炎(M1)表型轉(zhuǎn)變?yōu)榭寡?M2)表型，其中M1表型可產(chǎn)生多種炎癥介子，包括TNF-α、IL-1β等，并可誘導(dǎo)一氧化氮合酶(iNOS)上調(diào)，而M2表型可分泌抗炎細(xì)胞因子轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(TGF-β)、IL-10[35-37]。膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(GDNF)在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中發(fā)揮保護(hù)作用，而MSC可產(chǎn)生GDNF, 故在NP模型大鼠中鞘內(nèi)注射骨髓MSC可通過分泌GDNF抑制核因子κB(NF-κB)促進(jìn)磷脂酰肌醇3激酶/絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶(PI3K/AKT)信號(hào)通路調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞M1表型轉(zhuǎn)變?yōu)镸2表型[38]。

4.3 保護(hù)神經(jīng)元

MSC還可分泌神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)因子，包括GDNF、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)、BDNF和成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子-1(FGF-1), 從而改善NP神經(jīng)元的存活率，維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)[6, 39-40]。激活轉(zhuǎn)錄因子3(ATF3)是一種使用廣泛的背根神經(jīng)節(jié)損傷標(biāo)記物[41]。研究[32]表明, CCI模型可顯著誘導(dǎo)背根神經(jīng)節(jié)中AFT3的表達(dá)，鞘內(nèi)注射骨髓MSC后，背根神經(jīng)節(jié)中AFT3降低，表明骨髓MSC可保護(hù)背根神經(jīng)節(jié)免受損傷。有研究[42]將FGF-1基因轉(zhuǎn)染的脂肪MSC全身靜脈注射于CCI模型大鼠，與未轉(zhuǎn)染的脂肪來源MSC相比，可顯著減少脊髓細(xì)胞凋亡。由此提示, MSC分泌的FGF-1參與NP神經(jīng)元的保護(hù)作用，但MSC對(duì)神經(jīng)元細(xì)胞深層次的分子作用機(jī)制仍需進(jìn)一步探索。

4.4 降低中樞敏化

神經(jīng)損傷導(dǎo)致神經(jīng)元一系列級(jí)聯(lián)反應(yīng)，引起中樞敏化，這是NP發(fā)生的關(guān)鍵步驟。神經(jīng)損傷后，脊髓背角興奮性氨基酸(谷氨酸)遞質(zhì)被大量釋放，興奮性N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDAR)持續(xù)激活，從而促進(jìn)中樞敏化[8-9]。研究[43]表明，骨髓MSC可以抑制NMDAR的表達(dá)，并阻止其被谷氨酸激活，進(jìn)而弱化和逆轉(zhuǎn)中樞敏化，減輕機(jī)械性痛覺過敏。研究[44]證明，轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1(TGF-β1)以濃度依賴方式減輕谷氨酸誘導(dǎo)的大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元興奮性神經(jīng)毒性。MSC可分泌TGF-β1, 向CCI誘導(dǎo)的小鼠NP模型中鞘內(nèi)注射MSC, 可減輕小鼠的痛覺過敏，使用TGF-β1中和抗體后，則可逆轉(zhuǎn)MSC的抗痛覺過敏作用[32]。以上研究表明, MSC可通過釋放TGF-β1抵抗中樞敏化來抑制神經(jīng)元的興奮性，從而發(fā)揮鎮(zhèn)痛作用。

4.5 抑制膠質(zhì)細(xì)胞活化

神經(jīng)系統(tǒng)中的膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)NP的發(fā)生和維持起著非常關(guān)鍵的作用。神經(jīng)損傷后，膠質(zhì)細(xì)胞活化，分泌炎性細(xì)胞因子，導(dǎo)致疼痛過敏。在大鼠NP模型中，神經(jīng)膠質(zhì)纖維酸性蛋白(GFAP)和鈣離子結(jié)合銜接分子1(IBA-1)蛋白顯著上調(diào)[10]。然而有研究[29, 42]在脂肪MSC和骨髓MSC移植后發(fā)現(xiàn), GFAP和IBA-1表達(dá)大大降低。同樣，在椎間盤突出癥大鼠模型中，骨髓MSC移植后脊髓背角中的小膠質(zhì)細(xì)胞激活受到抑制[36]。研究[9]表明，活化的膠質(zhì)細(xì)胞中p38絲裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)信號(hào)通路的激活參與NP。骨髓MSC移植可抑制大鼠脊髓損傷后小膠質(zhì)細(xì)胞中P38MAPK信號(hào)的激活，改善其運(yùn)動(dòng)功能[45]。然而, MSC如何影響小膠質(zhì)細(xì)胞活化目前尚未完全闡明，包括MSC靶向哪些小膠質(zhì)細(xì)胞受體。相關(guān)研究[32]證實(shí)，骨髓MSC釋放的TGF-β1和IL-10可能與小膠質(zhì)細(xì)胞的活化抑制有關(guān)。嘌呤能P2X4受體(P2嘌呤能受體亞型)在NP后小膠質(zhì)細(xì)胞表面顯著表達(dá)，并觸發(fā)小膠質(zhì)細(xì)胞的激活[8]。向CCI大鼠鞘內(nèi)注射骨髓MSC可抑制脊髓小膠質(zhì)細(xì)胞中P2X4受體的表達(dá)，從而抑制小膠質(zhì)細(xì)胞活化，減輕大鼠NP行為[46]。MSC和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在疼痛方面的相互作用仍需進(jìn)一步研究。

4.6 抗氧化作用

氧化應(yīng)激是神經(jīng)元細(xì)胞凋亡、代謝紊亂、生物功能衰竭的關(guān)鍵因素，可引發(fā)持續(xù)的感覺神經(jīng)病變[47]。細(xì)胞抗氧化防御的激活是維持氧化還原穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)，活性物質(zhì)的大量產(chǎn)生是由細(xì)胞抗氧化防御系統(tǒng)激活控制的，該系統(tǒng)包括一系列的抗氧化酶，轉(zhuǎn)錄因子NF-E2相關(guān)因子2(Nrf-2)是調(diào)節(jié)人體抗氧化防御的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，其通過激活抗氧化酶的表達(dá)發(fā)揮作用，已被證明是維持健康細(xì)胞氧化還原反應(yīng)的調(diào)節(jié)劑, Nrf-2活性下降可引起氧化應(yīng)激增強(qiáng)，進(jìn)一步導(dǎo)致神經(jīng)病變的發(fā)展[48-49]。將骨髓MSC移植到奧沙利鉑誘導(dǎo)的大鼠NP模型中，可增加脊髓Nrf-2的表達(dá)，證明由Nrf-2介導(dǎo)的骨髓MSC的抗氧化作用與其在感覺神經(jīng)病變中的鎮(zhèn)痛作用存在相關(guān)性[50]。

5 總結(jié)與展望

MSC療法作為NP的新療法，具有治療周期短、起效迅速、療效持久的優(yōu)勢(shì)，已引起廣泛關(guān)注。盡管已有越來越多的實(shí)驗(yàn)證明MSC在NP中的治療潛力，但仍有一些問題亟待解決。目前，關(guān)于MSC對(duì)NP的最佳治療方案尚未達(dá)成共識(shí)，包括最佳移植劑量、移植后存活率、MSC來源、同種異體移植的免疫排斥反應(yīng)、給藥途徑以及給藥時(shí)間等方面。來源似乎會(huì)影響MSC的存活率，有研究[51]分別將骨髓和脂肪來源的MSC以相同數(shù)量移植到大鼠脊髓中，發(fā)現(xiàn)脂肪來源MSC存活率高于骨髓來源MSC。通過FGF-1[42]、GDNF[52]基因轉(zhuǎn)染骨髓MSC, 可使骨髓MSC的鎮(zhèn)痛效應(yīng)增強(qiáng)，這種將基因工程結(jié)合到基于骨髓MSC的細(xì)胞治療中的方法被證明比單獨(dú)骨髓MSC移植更有效。骨髓MSC分泌的抗炎因子、免疫調(diào)節(jié)因子、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的基礎(chǔ)水平可通過針對(duì)特定疾病機(jī)制的基因操作來提高。另外，采用MSC與藥物聯(lián)合治療NP可獲得更顯著的鎮(zhèn)痛效果，例如脂肪源性MSC聯(lián)合普瑞巴林治療大鼠神經(jīng)性疼痛的效果優(yōu)于單獨(dú)治療[53]。目前，使用MSC治療NP仍充滿希望與挑戰(zhàn)，充分理解MSC在NP中的作用機(jī)制，或可使MSC療法成為NP安全有效的治療方法。