骨髓间充质干细胞来源外泌体对大鼠脊髓损伤后周细胞活化及血脊髓屏障的影响

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背景与目的:  脊髓损伤(Spinal Cord Injury,SCI)是由外伤、缺血、感染、免疫、肿瘤、饮酒等因素导致的脊髓或马尾神经的损伤,往往造成瘫痪、感觉异常、尿便障碍、神经痛、呼吸困难、性功能障碍等暂时或永久性的损伤节段以下神经功能障碍。在全世界范围内,自1995年以来,脊髓损伤在世界各国的发病率约从每年10.4/百万到83/百万不等,我国约每年新增脊髓损伤患者60000例。其中,绝大多数脊髓损伤患者是由于交通事故、高空坠落、暴力伤害等外伤所致,而此类创伤性脊髓损伤往往遗留永久性神经功能障碍,致残率极高,对于个人和家庭生活的幸福以及国家和社会的安宁繁荣都带来了极大的负担。全世界范围内的各大科研院所、医疗机构也都在动用大量人力物力持续不断地投入脊髓损伤相关的研究,以期寻找更为有效的治疗方法,帮助更多患者恢复健康。而在众多有前景的研究方向中,干细胞相关的治疗手段无疑是帮助脊髓损伤患者减少急性期损害、促进神经功能恢复的明日之星,具有较大的研究价值与潜力。  在诸多应用于脊髓损伤的干细胞移植实验治疗中,间充质干细胞(Mesenchymal Stem Cells,MSCs)因其来源多样、便于获取、易于培养、能够分泌多种保护性神经营养因子且具有一定的分化能力,成为应用最为广泛的干细胞之一,在治疗过程中也取得了一定的效果。但直接移植MSCs仍存在诸如存活时间较短、难以抵达损伤区域、排异反应、过敏反应、癌变可能、异常分化、难以大量重复应用等弊端。另有研究表明,移植干细胞的旁分泌作用在其治疗功能中占据主导地位,而其分化成神经元和神经胶质细胞的数量十分有限。因此,应用由MSC主动分泌的包含多种DNA、RNA、蛋白质及神经营养因子的直径约40~100nm的均一囊泡,即MSC来源外泌体进行SCI的治疗,不仅能避免细胞移植的弊端,还能够根据需要调控、筛选并批量生产具有特定功能的外泌体。因此,应用MSC来源的外泌体治疗脊髓损伤具有更加广阔的前景,也具有更大的科研和临床价值。  周细胞(Pericyte,PC)在许多生理和病理生理过程中起着关键作用,其对各种器官系统地血管稳定性具有重要意义,如中枢神经系统的血脑屏障(Blood brain barrier,BBB)、血脊髓屏障(Blood spinal cord barrier,BSCB)和冠状动脉的分支等,更重要的是,周细胞与中枢神经系统的微血管内皮细胞、神经胶质细胞、神经元共同组成了神经血管单元。通过调节中枢神经系统内毛细血管直径以及微血管灌注,周细胞调节和维持着血脑屏障的正常功能。中枢神经系统内周细胞的缺失将会引起血脑屏障破坏、神经炎症及动脉瘤的形成。此外,有研究表明周细胞具有向周围细胞和细胞基质分泌生长因子和营养因子的功能。在脊髓损伤时,脊髓微血管周细胞的损坏、缺失、迁移将引起血脊髓屏障破坏,加剧炎症和水肿;其异常分化可能加剧瘢痕生成,影响预后;其异常的旁分泌功能可能提高血脊髓屏障的通透性。因此,周细胞在脊髓损伤以及中枢神经系统疾病中扮演了关键角色,然而对于周细胞的认识还较浅,关于其功能与机制的研究相对较少,亟待进一步探索,有望成为诸多疾病的治疗新靶点。  本研究通过试剂盒法提取骨髓间充质来源外泌体(Bone marrow mesenchymal stem cell-exosome,BMSC-exo),原位注射于SCI大鼠模型的损伤部位,在组织学和行为学观察移植外泌体对周细胞覆盖率、血脑屏障稳定性以及神经功能恢复的影响。在体外细胞模型中,观察外泌体治疗后对内皮屏障的作用,并对其潜在的分子机制进行初步探索。  材料与方法:  全骨髓培养法分离BMSCs后于适宜条件下进行培养及传代,使用外泌体提取试剂盒提取外泌体,透射电镜、粒径分析、流式细胞术鉴定外泌体。外泌体原位注射于SCI大鼠,7天时进行步态分析后取材进行免疫荧光染色观察PDGFβ、CD31、NFκB等,evens blue检测血脑屏障通透,western blot测定组织匀浆中紧密连接蛋白。将外泌体加入TNFα处理的大鼠脊髓原代周细胞,Luminex assay检测其对周细胞分泌细胞因子的影响。将周细胞培养基上清加入大鼠脊髓血管内皮细胞,观察其对内皮屏障的影响。  结果:  1.由大鼠骨髓提取的骨髓间充质干细胞利用western blot检测呈CD90+,CD34-。  2.由大鼠骨髓间充质干细胞分离出的外泌体电镜下呈大小相对均一的类圆形或圆形模型结构,直径约40-100nm,western blot示CD9+,CD63+。  3.术后28天时,BBB评分及步态分析示治疗组后肢运动功能恢复较损伤组好,其组间差异存在统计学意义。  4.术后7天取材的脊髓标本示治疗组血脊髓屏障通透性较低,内皮紧密连接蛋白水平较高,周细胞覆盖率较高,与损伤组之间的差异有统计学意义。  5.由大鼠脊髓提取的原代脊髓血管周细胞经免疫阳光染色示α-SMA+,PDGFRβ+;细胞免疫荧光显示PKH26标记的外泌体进入周细胞。  6.经氧糖剥夺预处理的周细胞培养基上清较对照组具有更高的VEGF水平,将其加入大鼠血管内皮细胞,内皮屏障功能相较于对照组减退,差异具有统计学意义。  结论:  BMSCs来源的外泌体能够通过影响脊髓损伤动物模型中损伤区域周细胞的活化与分泌作用,稳定血脊髓屏障,减轻神经功能功能损害,改善预后。
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