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背景和目的卒中(stroke)和神经胶质瘤(glioma)是两类重要的高发病率和高致残致死率的中枢神经系统(central nervous system,CNS)疾病,亟待探索有效防治的新策略。近年研究表明干细胞(stem cells)移植对卒中和胶质瘤有显著治疗效果,为卒中和胶质瘤的治疗研究带来新的契机。进一步研究发现干细胞分泌的外泌体(exosome,Exos)具有高度类似干细胞样的功能,利用干细胞外泌体开展卒中和胶质瘤的相关治疗研究具有极其广阔的临床转化应用前景。但目前常用的成体干细胞,如脂肪、骨髓等来源的间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)存在来源有限、取材有创、体外培养增殖能力有限等诸多问题。因此,积极探索适合临床应用的产生外泌体的“种子细胞”具有极其重要的临床意义。本研究以缺血性卒中和神经胶质瘤这两类重大中枢神经系统疾病为切入点,探讨了尿液干细胞(urine stem cells,USCs)和诱导多能干细胞分化的MSCs(induced pluripotent stem cell-derived MSCs,iMSCs)来源的外泌体(USC-Exos,iMSC-Exos)对缺血性卒中的治疗作用及相关机制,并评价了多能干细胞外泌体及功能化多能干细胞外泌体对胶质瘤的治疗作用,以期为干细胞外泌体治疗CNS疾病的临床转化提供相关理论和实验依据。方法1.干细胞来源的外泌体对缺血性卒中的治疗作用及机制研究。1)USC-Exos对缺血性卒中的治疗作用及机制研究:构建大鼠大脑中动脉栓塞(middle cerebral artery occlusion,MCAO)模型,观察USC-Exos对MCAO模型大鼠的治疗作用及对神经再生的影响;利用神经干细胞(neural stem cells,NSCs)的糖氧剥夺/复氧(oxygen-glucose deprivation/reoxygenation,OGD/R)模型体外模拟卒中微环境,观察USC-Exos对OGD/R诱导的NSCs的增殖和分化的影响,并对其作用机制进行初步探究。2)iMSC-Exos对缺血性卒中的治疗作用及机制研究:体内实验观察iMSC-Exos对MCAO模型大鼠的治疗作用及对血管新生的影响;利用人脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cell,HUVECs)的OGD/R模型体外模拟卒中微环境,观察iMSC-Exos对OGD/R诱导的HUVECs的迁移和成管能力的影响;体内和体外实验初步探究iMSC-Exos对血管新生作用的调节机制。2.功能化多能干细胞外泌体在胶质瘤治疗研究中的应用:体外和体内实验评价胚胎干细胞(embryonic stem cells,ESCs)外泌体(ESC-Exos)的抗胶质瘤作用;利用工程化手段,将ESC-Exos与肿瘤靶向肽c(RGDy K)结合,并同步负载紫杉醇(paclitaxel,PTX),构建功能化多能干细胞外泌体c RGD-Exo-PTX,并在体外和体内评价c RGD-Exo-PTX的胶质瘤靶向性和抗胶质瘤作用。1)多能干细胞外泌体对胶质瘤的作用研究:体外和体内实验评价ESC-Exos的抗胶质瘤作用。2)功能化多能干细胞外泌体的抗胶质瘤作用研究:利用工程化手段,将ESC-Exos与肿瘤靶向肽c(RGDy K)结合,并同步负载紫杉醇(paclitaxel,PTX),构建功能化多能干细胞外泌体c RGD-Exo-PTX,并在体外和体内评价c RGD-Exo-PTX的胶质瘤靶向性和抗胶质瘤作用。结果1.干细胞来源的外泌体对缺血性卒中的治疗作用及机制研究。1)USC-Exos对缺血性卒中的治疗作用及机制研究。a)体内实验证实USC-Exos可显著促进MCAO模型大鼠的神经功能恢复和神经发生;b)体外实验证实USC-Exos可以显著促进OGD/R诱导的NSCs的增殖和向神经元的分化;c)体外实验证实USC-Exos通过转运mi R-26a抑制HDAC6的表达可能是USC-Exos促神经发生作用的机制之一。2)iMSC-Exos对缺血性卒中的治疗作用及机制研究。a)体内实验证实iMSC-Exos可显著促进MCAO模型大鼠的神经功能恢复和血管新生;b)体外实验证实iMSC-Exos可以显著提高OGD/R诱导的HUVECs的迁移和成管能力;c)体内和体外实验证实iMSC-Exos可能通过激活STAT3通路抑制自噬而促进血管新生。2.功能化多能干细胞外泌体在胶质瘤治疗研究中的应用。1)多能干细胞外泌体对胶质瘤的作用研究。a)体外实验证实ECS-Exos可显著抑制胶质瘤细胞的增殖并促进其凋亡;b)皮下移植瘤模型证实ESC-Exos可显著抑制胶质瘤的生长。2)功能化多能干细胞外泌体的抗胶质瘤作用研究。a)体内和体外实验证实构建的工程化外泌体c RGD-Exo-PTX具有良好的胶质瘤靶向性;b)体内和体外实验证实构建的工程化外泌体c RGD-Exo-PTX可显著增强PTX对胶质瘤的治疗效果。结论1.干细胞来源的外泌体对缺血性卒中具有显著的治疗作用。1)USC-Exos可能通过调控mi R-26a/HDAC6轴增强卒中后的神经发生并促进神经功能恢复。2)iMSC-Exo可能是通过激活STAT3通路抑制自噬进而增强卒中后的血管新生并促进神经功能恢复。2.功能化多能干细胞外泌体具有显著的抗胶质瘤作用。1)多能干细胞外泌体在体外和体内均具有显著的抗胶质瘤作用。2)功能化多能干细胞外泌体具有良好的胶质瘤靶向性及显著的抗胶质瘤作用,为脑胶质瘤及其他CNS疾病的治疗提供了新的载体工具。3.USC-Exos,iMSC-Exos和ESC-Exos性能稳定,便于产业化生产,可获得产量丰富的外泌体满足临床治疗的需求,并且可以对它们进行修饰以最大限度地提高临床效益。本研究为筛选合适干细胞来源的外泌体进行CNS疾病治疗的临床转化提供了新的选择。