间充质干细胞在早产儿脑室周围白质软化的研究进展

Research Progress of Mesenchymal Stem Cells in Periventricular Leukomalacia of Premature Infants

摘要: 脑室周围白质软化(periventricular leukomalacia, PVL)是早产儿特有且最为严重的一种脑损伤形式之一。目前对早产儿脑损伤的治疗仍然主要是支持性的，在保护未成熟的大脑或修复损伤以改善长期预后方面疗效甚微。间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCS)是干细胞家族的重要成员，由于其多向分化潜能、免疫调节和分泌多种营养因子等特点，具有减少脑损伤的潜力，主要是通过抗炎和免疫调节机制，也通过它们释放神经营养或生长因子来促进内源性神经发生。本文就PVL的发病机制、病理特征以及间充质干细胞治疗效果背后的潜在机制进行综述。

Abstract: Periventricular leukomalacia (PVL) is one of the most serious forms of brain injury unique to preterm infants. Current treatments for brain injury in preterm infants remain largely supportive, with little efficacy in protecting the immature brain or repairing the damage to improve long-term outcomes. Mesenchymal stem cells (MSCS) are important members of the stem cell family. Due to their multi-directional differentiation potential, immune regulation and secretion of a variety of nutritional factors, they have the potential to reduce brain injury, mainly through anti-inflammatory and immunomodulatory mechanisms. They also promote endogenous neurogenesis by releasing neurotrophic or growth factors. This article reviews the pathogenesis, pathological features and potential mechanisms behind the therapeutic effect of mesenchymal stem cells on PVL.

1. 引言

早产儿大脑容易受到损伤和正常大脑发育破坏(即成熟障碍)的影响，表现在长期的认知、行为和/或智力缺陷等方面出现神经发育障碍，脑室周围白质软化(periventricular leukomalacia, PVL)是早产儿特有且最为严重的一种脑损伤形式之一。

2. 早产儿脑白质软化

2.1. 病理特征及发病原因

研究表明脑室周围白质软化症(PVL)是早产儿长期神经发育障碍的主要病因 [1] ，PVL的严重程度与长期不良神经系统预后之间存在线性关系 [2] 。其病理特征包括：(1) 囊性PVL，最严重，导致白质神经元坏死；(2) 非囊性PVL，涉及与神经胶质疤痕相关的直径1毫米或更小的微囊；(3) 弥漫性白质神经胶质增生，其特征性的前少突胶质细胞的急性变性并伴有反应性星形细胞增生和活化的小胶质细胞增生 [3] 。由于新生儿重症监护技术的进步，与过去几十年所遇到的严重囊性PVL病变相比，当前早产儿人群经历的PVL程度较轻，以非囊性PVL及弥漫性白质神经胶质增生为主 [4] 。PVL发病机制复杂，缺氧缺血和感染炎症是PVL的两种常见的病因 [5] 。Zhang等人在系统综述中分析了14个与PVL相关的缺氧缺血危险因素，发现母亲羊水过少、低Apgar评分、呼吸暂停、呼吸窘迫综合征和惊厥发作等与早产儿发生PVL有统计学意义 [6] 。Romero等人在中对PVL的发病率和危险因素进行了系统回顾，指出绒毛膜羊膜炎和胎膜早破是PVL的重要危险因素 [7] 。然而，之前的两篇文章都评估病因有限，并且这些文章没有阐明危险因素与PVL之间关联的证据确定性 [6] [7] 。在大多数情况下，存在两种或两种以上不同程度的损伤的混合模式(同时包括缺氧缺血损伤及感染损伤)。PVL的复杂因果关系及其对长期神经发育结果的有害影响，综合评估其所有可能的病因是很重要的。

2.2. 发病机制

2.2.1. 血管及生理因素

早产儿脑室周围血管生理因素及解剖结构是发生PVL的基础，早产儿出生胎龄越小，脑发育越不成熟，越容易发生PVL。脑室周围血管主要起源于自于大脑中动脉，在24~28周时出现其长穿支从大脑软脑膜表面穿透脑皮质和皮质下白质，终止于深部白质，短穿支终止于大脑的表浅白质，妊娠32~40周发育最活跃，在32周左右才开始与长穿支吻合，这种特殊血管解剖结构的发展产生了动脉末端区和边界区，脑白质血流量维持在边缘状态，使白质的血流量较少，仅为灰质和皮质血流的四分之一，且供应白质血流的小动脉发育不成熟，所以早产儿脑白质容易发生缺氧缺血而形成PVL [8] 。此外，早产儿动脉穿支肌层发育不成熟，容易发生低血压，且其不能完全自动调节血流 [9] ，脑血流极易受全身瞬间血流动力学影响，不同的因素(低氧血症、低血压、低碳酸血症或高碳酸血症等因素)也可能导致脑血管自我调节的受损，造成缺血/再灌注的损伤，早产儿脑白质的这种压力被动性脑血流特点和对动脉血压波动的自我调节受损是其容易发生PVL的另一重要原因 [9] [10] 。

2.2.2. 前少突胶质细胞的易损性

在PVL发病中两种上游机制为：炎症和缺氧缺血，两者经常共存，并对早产儿脑白质产生不利影响 [11] 。两种相关的下游机制是兴奋毒性和氧化应激，主要针对脆弱的成熟少突胶质细胞(OL)谱系 [12] 。少突胶质细胞(OL)谱系的成熟分为四个阶段：少突祖细胞、前少突胶质细胞(或OL晚期祖细胞;单克隆抗体O4阳性)，未成熟少突胶质细胞(单克隆抗体O4和O1阳性)，以及产生髓磷脂的成熟少突胶质细胞 [12] 。大量的人类和实验文献支持前OL特别容易受到自由基介导的成熟依赖机制的影响，而早期和晚期的OL谱系阶段对体内和体外氧化应激的内在和外在来源都有更强的抵抗力 [13] 。妊娠后23~32周为早产儿PVL易感性高峰，与白质中前少突胶质细胞的发育相吻合，构成了一个易感性增强的发育窗口，在人类髓鞘前白质发育的这一漫长窗口期，在妊娠28周左右，前OL占OL总数的90%，随后出现未成熟OL以及髓鞘形成轴突分化为成熟的产生髓磷脂的成熟少突胶质细胞 [12] 。这与PVL在临床人群中的发病率高峰出现在妊娠28周重叠。在脑白质损伤的急性期，由缺氧缺血造成坏死和caspase介导的细胞凋亡共同引起急性前OL死亡及新增殖的preOL以取代急性脑白质损伤期间退化的preOL。尽管新增殖的preOL以取代急性脑白质损伤期间退化的preOL，但慢性期髓鞘形成的紊乱似乎不是由髓鞘形成的OL的丧失引起的，而是由多种机制共同作用，包括表观遗传学改变和炎症反应，其共同作用会导致小胶质细胞激活和星状胶质细胞增生，造成脑白质损伤区域小胶质细胞聚集，释放如自由基、谷氨酸和促炎细胞因子，包括TNF-α、IL-17、IFN-γ和IL-1β等对少突胶质细胞谱系细胞存在毒性的有毒化合物，破坏OL前分化和发育中的白质髓鞘形成的正常过程。在脑损伤的慢性期，preOL的持续存在及成熟障碍，超过其发育时间窗，进一步增加了脑白质对缺氧缺血或兴奋性毒性损伤的敏感性 [14] 。

3. 早产儿脑白质软化与间充质干细胞

优化标准的围产期护理和产前用药对预防未成熟脑损伤是重要的。此外，科学家们已经测试了治疗早产儿脑白质损伤的各种方法。EPO可以促进正常大脑发育中的血管生成、神经生成和胶质生成。然而，Juul [15] 等发现大剂量EPO治疗并不能获得更好的神经发育结局或降低2岁时的死亡风险。Francesca [16] 等研究褪黑激素是一种具有抗氧化、抗炎和抗凋亡作用的强效药物可以作为早产儿神经保护的新工具;然而，褪黑素在新生儿中的临床研究缺乏。Kimberly等研究发现脐带延迟结扎30~60秒，能够减少因贫血而输血的需要，并降低坏死性小肠结肠炎的风险，可能会改善血液动力学稳定性和大脑自动调节，并间接防止脑损伤。然而，在早产儿中，与立即脐带结扎相比，延迟脐带结扎并没有降低死亡和主要并发症的总发生率 [17] 。间充质干细胞(MSCs)具有抗炎特性，免疫调节等功能，临床前研究表明被认为是许多神经疾病(包括白质疾病)的有效治疗工具 [18] 。由于早产儿发育中的脑中的前少突胶质细胞被认为对围产期炎症和缺氧缺血高度敏感，导致前少突胶质细胞成熟受到干扰是早产儿脑白质损伤的关键机制。对于间充质干细胞治疗早产儿脑白质损伤可能与以下机制相关：(1) 通过免疫调节减轻炎症：炎症反应将小胶质细胞从静止状态转变为激活状态，并分泌促炎细胞因子 [19] 。MSCs移植到动物模型中时，它们会产生炎症介质并影响细胞因子的表达 [20] 。MSCs通过调节这些细胞因子，影响免疫细胞和免疫反应的几个通路，从而减少炎症，增加抗炎细胞因子如白细胞介素-4 (IL-4)、白细胞介素-10 (IL-10)、肿瘤坏死因子β (TNF-β)的分泌，降低促炎细胞因子的表达，包括白细胞介素-1 (IL-1)、干扰素-γ (IFN-γ)、肿瘤坏死因子-α (TNF-α)和膜辅助因子蛋白-1 (MCP-1) [21] 。(2) 释放营养因子包括胶质细胞系源性神经营养因子(GDNF)和脑源性神经营养因子(BDNF)等神经营养因子，还包括血管内皮生长因子(VEGF)、神经生长因子(NGF)和血小板源性生长因子(PDGF)等生长因子 [22] 。BDNF基因的表达可引导MSC进入神经分化途径 [23] 。黄等人发现NGF可以防止神经元凋亡和促进神经元增殖，VEGF能够促进血管生成 [24] ，PDGF促进细胞迁移、原代皮质神经元生长、血管生成和轴突生长，以及抑制神经炎症 [25] 。吴 [26] 等人研究表明早期静脉注射间充质干细胞的大鼠的行为恢复和神经发生比晚期静脉注射间充质干细胞的大鼠更明显。(3) MSCs高表达血管生成素-1 (Ang1)、酪氨酸-蛋白激酶受体(Tie2)、VEGF、VEGF受体2 (Flk1)等与血管生成和动脉密度相关的因子。Tie2是Ang1的受体，Flk1是VEGF的受体。VEGF/Flk1系统和Ang1/Tie2系统有助于血管生成的增强。在星形胶质细胞和与BMSCs共同培养的内皮细胞中，VEGF、Ang1和Tie2的表达显著升高。此外，在2型糖尿病(T2DM)大鼠脑卒中后单次静脉注射骨髓间充质干细胞也增加了Ang1和Tie2的表达 [27] 。总的来说MSCs在脑白质软化治疗中具有促血管生成作用，主要是通过促进生长因子分泌和结合趋化因子的机制。综上所述，间充质干细胞在早产儿脑白质损伤的治疗中具有巨大的潜力，但仍面临一些挑战。间充质干细胞可以通过多种途径，如脑内注射、静脉注射、鼻内注射等，选择移植途径、时间和剂量以获得最佳治疗效果成为了亟待解决的问题。

4. 小结

综上所述，间充质干细胞通过多种机制参与早产儿脑白质的修复过程，但目前该方法在临床应用中还存在一些挑战和困难，如治疗时间、细胞来源、安全性、治疗方法等，进一步的研究和临床实践治疗仍然是必要的。总的来说，间充质干细胞治疗早产儿脑白质软化具有较好的前景，但仍需要更多的努力和研究来解决相关问题，为早产儿的健康发展提供更有效的治疗方法。

NOTES

^*通讯作者。