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超順磁性氧化鐵在干細(xì)胞移植治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用

劉艷秋李金鳳王運(yùn)良

解放軍第一四八中心醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科淄博255300

【關(guān)鍵詞】超順磁性氧化鐵；干細(xì)胞移植；神經(jīng)系統(tǒng)疾病

神經(jīng)系統(tǒng)疾病中，無(wú)論是神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病和中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎性脫髓鞘病為主要特點(diǎn)的自身免疫系統(tǒng)疾病，還是以腦缺血、腦出血為高發(fā)的急性腦血管疾病，其所造成的神經(jīng)功能缺損及嚴(yán)重認(rèn)知功能障礙一直是臨床治療的難點(diǎn)，嚴(yán)重威脅著人類(lèi)的健康和生活，且致死率和致殘率較高，給患者本人、家庭和整個(gè)社會(huì)帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)[1-5]。

然而，隨著再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展，干細(xì)胞移植治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的探討已成為當(dāng)今神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[3，6-9]。但如何示蹤植入的干細(xì)胞在活體內(nèi)的存活、遷移及分化等一直是科研工作者的研究難題。20紀(jì)90年代初即有人將超順磁性氧化鐵(superparamgnetic iron oxides，SPIO)標(biāo)記的神經(jīng)前體細(xì)胞移植入鼠腦內(nèi)，在磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)的T2WI上，植入的神經(jīng)前體細(xì)胞局部顯示低信號(hào)。自此揭開(kāi)了干細(xì)胞移植的新篇章，無(wú)創(chuàng)性示蹤移植細(xì)胞在活體內(nèi)的存活、遷移及分化成為現(xiàn)實(shí)。本文就近幾年SPIO與干細(xì)胞移植治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的一些相關(guān)研究進(jìn)行綜述。

1SPIO

1.1SPIO的基本特性SPIO是以葡聚糖等包裹氧化鐵而得的一種新型磁共振對(duì)比劑。由于其特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)，即使在較弱的磁場(chǎng)中也能產(chǎn)生較強(qiáng)的磁性，撤銷(xiāo)外加磁場(chǎng)后其磁性也隨之消失。不同大小的SPIO其分布、磁性與作用也不同。大的顆粒50～150 nm，可以用作肝、脾等MRI的造影劑。小的顆粒直徑約20 nm，可顯示不同器官的分布，并可改善淋巴結(jié)無(wú)創(chuàng)性評(píng)估或描繪一個(gè)潛在脆弱的動(dòng)脈粥樣硬化斑塊。SPIO還可以標(biāo)記細(xì)胞，檢測(cè)細(xì)胞在活體內(nèi)的遷移[10-11]。

1.2SPIO標(biāo)記干細(xì)胞的機(jī)制SPIO標(biāo)記干細(xì)胞的機(jī)制有多種，包括直接胞吞作用、受體介導(dǎo)的胞吞作用、轉(zhuǎn)染試劑轉(zhuǎn)染后介導(dǎo)的胞吞作用、電穿孔法等[12]。其中轉(zhuǎn)染試劑轉(zhuǎn)染后介導(dǎo)較為常用。王爽等[13]在國(guó)內(nèi)利用轉(zhuǎn)染試劑介導(dǎo)的方法首次以ferumoxides(一種SPIO)作為磁標(biāo)記探針對(duì)神經(jīng)干細(xì)胞進(jìn)行磁標(biāo)記。其把不同濃度的ferumoxides與神經(jīng)干細(xì)胞共同孵育48 h，通過(guò)透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)SPIO可以被神經(jīng)干細(xì)胞吞噬。

1.3SPIO的安全性檢測(cè)SPIO的毒性完全取決于鐵的含量，鐵是人體必需的微量元素，正常范圍內(nèi)的鐵可被人體所吸收，但過(guò)量的鐵會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生一定的毒性[10-11]。Neri對(duì)SPIO標(biāo)記的神經(jīng)前體細(xì)胞的研究提示，適當(dāng)?shù)腟PIO濃度可使標(biāo)記率達(dá)到100%，對(duì)細(xì)胞的活力和增殖能力無(wú)明顯影響，重要的是對(duì)干細(xì)胞特有的自我更新能力也不產(chǎn)生明顯影響，但隨著氧化鐵的濃度的增加，細(xì)胞的活力和增殖能力逐漸受到影響，甚至細(xì)胞凋亡壞死[14]。王爽等[14]研究也證明，SPIO的濃度在2.8～16 μg/mL時(shí)，隨著濃度的升高對(duì)神經(jīng)干細(xì)胞的存活、分化無(wú)顯著差異，但>22.4 μg/mL時(shí)，SPIO的濃度對(duì)神經(jīng)干細(xì)胞的存活、分化有影響。而對(duì)胚胎干細(xì)胞和脂肪干細(xì)胞進(jìn)行SPIO標(biāo)記，研究結(jié)果均證明SPIO對(duì)細(xì)胞的增殖分化無(wú)影響[15-16]。同時(shí)也有學(xué)者研究，適當(dāng)濃度的SPIO是否對(duì)活體產(chǎn)生影響，結(jié)果表明，無(wú)論是局部還是全身注射SPIO，一般注射后14 d都觀察不到SPIO的殘留，更沒(méi)有SPIO激活帶來(lái)的影響[17]。

2SPIO在神經(jīng)干細(xì)胞移植治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病領(lǐng)域中的應(yīng)用

干細(xì)胞是一類(lèi)具有自我更新能力和高度分化潛力的細(xì)胞，在合適的條件下或給予適當(dāng)?shù)恼T導(dǎo)可以分化為多種成體組織細(xì)胞。隨著從細(xì)胞水平、分子水平對(duì)干細(xì)胞的深入研究，使干細(xì)胞被視為治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病很有希望的新途徑、新策略[6-9]。而與SPIO的結(jié)合，又進(jìn)一步使干細(xì)胞的療效得到可觀的依據(jù)，使得干細(xì)胞的應(yīng)用有了更加科學(xué)的依據(jù)。

2.1帕金森病(Parkinson′s disease，PD)PD是一種中老年人常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)障礙性疾病，以黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元變性缺失和路易小體形成為病理特征。臨床表現(xiàn)為靜止性震顫、運(yùn)動(dòng)遲緩、肌強(qiáng)直和姿勢(shì)步態(tài)異常等[2，18]。傳統(tǒng)的左旋多巴等藥物治療效果不明顯且藥物不良反應(yīng)較多。隨著再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多的人嘗試通過(guò)干細(xì)胞移植修復(fù)受損多巴胺能神經(jīng)元，重建神經(jīng)功能，且療效明顯[19]。王誠(chéng)等[20]應(yīng)用6-羥基多巴液直接注入SD大鼠前腦，制作PD模型。取10只成功的SD大鼠模型，通過(guò)右側(cè)頸動(dòng)脈注入SPIO標(biāo)記的第4代骨髓基質(zhì)細(xì)胞(Bone Marrow Stromal Cells，BMSCs)，假手術(shù)組取5只SD大鼠注入生理鹽水，對(duì)照組取5只SD大鼠未做任何處理。細(xì)胞移植后2、4、6、8周進(jìn)行行為學(xué)觀察及MRI動(dòng)態(tài)觀察SPIO標(biāo)記的BMSCs。結(jié)果顯示，接受細(xì)胞移植的10只SD大鼠，在移植后第4、6、8周阿撲嗎啡誘發(fā)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)與假手術(shù)組、對(duì)照組及治療前相比明顯減少。在移植后第2、4、6、8周通過(guò)MRI觀察均能發(fā)現(xiàn)腦內(nèi)明顯的低信號(hào)區(qū)，且隨時(shí)間延長(zhǎng)，低信號(hào)區(qū)逐漸縮小。

2.2多發(fā)性硬化(multiple sclerosis，MS)MS是一種中樞神經(jīng)系統(tǒng)白質(zhì)脫髓鞘為主要病理特點(diǎn)的自身免疫性疾病，此病好發(fā)于20～40歲的中青年，大多數(shù)患者表現(xiàn)為反復(fù)發(fā)作的神經(jīng)功能障礙，多次緩解復(fù)發(fā)，病情每況愈下，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。目前還未發(fā)現(xiàn)根治此病的藥物，傳統(tǒng)的激素及免疫抑制劑治療只能控制病情急性發(fā)作，在延緩病情進(jìn)展方面無(wú)明顯療效，且此類(lèi)藥物不良反應(yīng)較多[3]。近年來(lái)，隨著對(duì)MS致病機(jī)制的不斷深入研究，對(duì)MS的治療也發(fā)生了巨大變化。利用細(xì)胞移植促進(jìn)髓鞘再生被認(rèn)為是治療MS的一種有效方法[3]。Franklin等[22]1999年就已進(jìn)行了此方面的研究，利用SPIO標(biāo)記的少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞(CG-4)移植入MS得成年鼠模型，在細(xì)胞移植后第1天和第7天SPIO可以作為一種低信號(hào)通過(guò)MRI顯示出來(lái)，并且通過(guò)電鏡也可以檢測(cè)到。

2.3缺血性腦卒中(cerebral ischemic stroke，CIS)CIS是指各種原因引起的腦部血液供應(yīng)障礙，使局部腦組織發(fā)生不可逆性損害，導(dǎo)致腦組織缺血、缺氧性壞死。缺血性腦卒中的治療關(guān)鍵在于修復(fù)損傷神經(jīng)元、減少神經(jīng)元的死亡[4]。Song等[22]通過(guò)閉塞大腦中動(dòng)脈制作局灶性腦缺血的大鼠模型。在大腦中動(dòng)脈閉塞24 h以后經(jīng)尾靜脈注入SPIO標(biāo)記的神經(jīng)干細(xì)胞，然后用1.5T倒置MRI間斷觀察4周(缺血前1 d，細(xì)胞移植后1 d、3 d，以及以后的每1周)，在鼠的大腦組織切片上，普魯士藍(lán)和抗BrdU熒光染色可以鑒別移植細(xì)胞，且普魯士藍(lán)染色區(qū)域與MRI影像上T2加權(quán)低信號(hào)和三維梯度回波信號(hào)一致，充分證明了SPIO存在于移植細(xì)胞內(nèi)。且SPIO可以通過(guò)在MRI影像上顯示的低信號(hào)直觀反映移植細(xì)胞向損傷組織移行的過(guò)程。Rice等[24]也是通過(guò)閉塞大腦中動(dòng)脈制作局灶性腦缺血的大鼠模型，不同的是他們注射的是SPIO標(biāo)記的脂肪來(lái)源干細(xì)胞。移植2周后用7T倒置MRI觀察發(fā)現(xiàn)在腦梗死鄰近部位發(fā)現(xiàn)低信號(hào)，此低信號(hào)區(qū)域與大鼠腦組織普魯士藍(lán)染色區(qū)域一致，說(shuō)明了SPIO可充分標(biāo)記脂肪來(lái)源干細(xì)胞，并且可示蹤其在活體內(nèi)的遷移過(guò)程。

2.4脊髓損傷(spinal cord injuries，SCI)SPIO標(biāo)記骨髓間充質(zhì)細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSC)移植入脊髓半橫斷損傷的成年鼠模型，在細(xì)胞移植后1周，通過(guò)MRI可以發(fā)現(xiàn)MSC作為一種低信號(hào)向骨髓損傷區(qū)遷移，這種低信號(hào)可持續(xù)存30 d。且細(xì)胞移植前后的模型鼠在功能恢復(fù)方面有了明顯的提高[24]。劉宇等[25]將SPIO標(biāo)記的MSC通過(guò)蛛網(wǎng)膜下腔移植到脊髓損傷大鼠模型。普魯士藍(lán)染色后，倒置顯微鏡觀察可發(fā)現(xiàn)大部分移植細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)均可見(jiàn)藍(lán)色顆粒。移植后3、7、14 d通過(guò)MRI觀察，發(fā)現(xiàn)注射部位T2低信號(hào)逐漸減弱，脊髓損傷區(qū)域T2低信號(hào)逐漸增強(qiáng)。MRI結(jié)果與組織切片熒光檢查一致。

3展望

以往多通過(guò)光鏡識(shí)別干細(xì)胞標(biāo)記物，必須用傳統(tǒng)的組織病理學(xué)檢查，從體內(nèi)取得組織才能進(jìn)行細(xì)胞探測(cè)，這顯然不適合進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，更不適用于臨床研究，尤其是神經(jīng)系統(tǒng)疾病。SPIO可以有效地進(jìn)行活細(xì)胞標(biāo)記，而這種標(biāo)記方法不會(huì)影響細(xì)胞的活力、生長(zhǎng)、分裂、遷移、分化等生物學(xué)功能，對(duì)細(xì)胞沒(méi)有毒性，具有良好的安全性，可以用MRI進(jìn)行活體示蹤研究，為干細(xì)胞治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的療效帶來(lái)更直觀可靠的科學(xué)依據(jù)。而科學(xué)家們不斷的努力探討，使得SPIO標(biāo)記干細(xì)胞更加高效，如納米化或特殊物質(zhì)涂層。因此，這些方法的應(yīng)用會(huì)使得廣大患者充滿(mǎn)信心地接受干細(xì)胞移植，為疾病的治療帶來(lái)更多的希望。

4參考文獻(xiàn)

[1]Wang Y，Yin H，Wang L，et al.Curcumin as a potential treatment for Alzheimer’s disease：A study of the effects of curcumin on hippocampal expression of glial fibrillary acidic protein[J].Am J Chin Med，2013，41(1)：59-70.

[2]Pluck GC，Brown RG.Apathy in Parkinson’s disease[J].J Neurol Neurosurg Psychiatry，2002，73(6)：636-642.

[3]Li JF，Zhang DJ，Geng T，et al.The potential of human umbilical cord derived mesenchymal stem cells as a novel cellular therapy for multiple sclerosis[J].Cell Transplatation，2014，23(Suppl 1)：S113-122.

[4] Shah FA，Park DJ，Gim SA，et al.Curcumin treatment recovery the decrease of protein phosphatase2A subunit B induced by focal cerebral ischemia in Sprague-Dawley rats[J].Lab Anim Res，2015，31(3)：134-138.

[5] Brown RJ，Epling BP，Staff I，et al.Polyuria and cerebral vasospasm after aneurysmal subarachnoid hemorrhage[J].BMC Neurol，2015，15(1)：201.

[6] Suksuphew S，Noisa P.Neural stem cells could serve as a therapeutic material for age-related neurodegenerative diseases[J].World J Stem Cells，2015，7(2)：502-511.

[7] Yan Y，Ma T，Gong K，et al.Adipose-derived mesenchymal stem cell transplantation promotes adult neurogenesis in the brains of Alzheimer′s disease mice[J].Neural Regen Res，2014，9(8)：798-805.

[9] Tian LP，Zhang S，Xu L，et al.Selenite benefits embryonic stem cells therapy in Parkinson′s disease[J].Curr Mol Med，2012，12(8)：1 005-1 014.

[10]Taupitz M，Schmitz S，Hamm B.Superparamagnetic iron oxide particles：current state and future development[J].Rofo，2003，175(6)：752-765.

[11]Mardinoglu A，Cregg PJ.Modelling the effect of SPION size in a stent assisted magnetic drug targeting system with interparticle interactions[J].ScientificWorldJournal，2015，2015：618 658.

[12]黃薇園，余永強(qiáng).SPIO標(biāo)記干細(xì)胞移植MRI活體示蹤研究進(jìn)展[J].國(guó)際醫(yī)學(xué)放射學(xué)雜志，2009，32(5)：478-482.

[13]王爽，謝鵬，牟君，等.Ferumoxides標(biāo)記神經(jīng)干細(xì)胞及其對(duì)增殖分化的影響[J].重慶醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，3(30)：321-324.

[14]Neri M，Maderna C，Cavazzin C，et al.Efficient in vitro labeling of human neural precursor cells with superparamagnetic iron oxide particles： relevance for in vivo cell tracking[J].Stem Cells，2008，26(2)：505-516.

[15]Wang N，Zhao JY，Guan X，et al.Biological characteristics of adipose tissue-derived stem cells labeled with amine-surface-modified superparamagnetic iron oxide nanoparticles[J].Cell Biol Int，2015，39(8)：899-909.

[16]Parsa H，Shamsasenjan K，Movassaghpour A，et al.Effect of Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles-Labeling on Mouse Embryonic Stem Cells[J].Cell J，2015，17(2)：221-230.

[17]Vermeij EA，Koenders MI，Bennink MB，et al.The in-vivo use of superparamagnetic iron oxide nanoparticles to detect inflammation elicits a cytokine response but does not aggravate experimental arthritis[J].PLoS One，2015，10(5)：e0 126 687.

[18]Kuramoto L，Cragg J，Nandhagopal R，et al.The nature of progression in Parkinson′s disease： an application of non-linear，multivariate，longitudinal random effects modelling[J].PLoS One，2013，8(10)：e76 595.

[19]Nóbrega AC，Pinho P，Deiró M，et al.Levodopa treatment in Parkinson′s disease： how does it affect dysphagia management?[J].Parkinsonism Relat Disord，2014，20(3)：340-341.

[20]王誠(chéng)，包仕堯，王美芹，等，菲立磁標(biāo)記骨髓基質(zhì)細(xì)胞動(dòng)脈移植治療帕金森病的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)臨床神經(jīng)科學(xué)，2007，15(5)：459-465.

[21]Franklin RJ，Blaschuk KL，Bearchell MC，et al.Magnetic resonance imaging of transplanted oligodendrocyte precursors in the rat brain[J].Neuroreport，1999，10(18)：3 961-3 965.

[22]Song M，Kim Y，Kim Y，et al.MRI tracking of intravenously transplanted human neural stem cells in rat focal ischemia model[J].Neurosci Res，2009，64(2)：235-239.

[23]Rice HE，Hsu EW，Sheng H，et al.Superparamagnetic iron oxide labeling and transplantation of adipose-derived stem cells in middle cerebral artery occlusion-injured mice[J].AJR Am J Roentgenol，2007，188(4)：1 101-1 118.

[24]Sykova E，Jendelova P.In vivo travking of stem cells in brain and spinal cord injury[J].Prog Brain Res，2007，161：367-383.

[25]劉宇，鄧宇斌，張德勝，等.蛛網(wǎng)膜下腔移植SPIO標(biāo)記的MSCs在大鼠脊髓損傷模型的MR活體示蹤研究[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，2009，11(25)：1 933-1 936.

(收稿2015-10-22)

【中圖分類(lèi)號(hào)】R741.05

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】1673-5110(2016)02-0128-02