干细胞鼻内应用治疗中枢神经系统疾病的研究进展

干细胞鼻内应用治疗中枢神经系统疾病的研究进展

抽象的
干细胞具有自我更新和多能性的特点，在治疗各种疾病方面具有巨大潜力. 然而, 血脑屏障 (血脑屏障) 限制干细胞在神经系统疾病治疗中的应用, 尤其是以非侵入性方式. 研究表明，小分子物质, 大分子蛋白质, 甚至干细胞也可以在鼻内给药后绕过血脑屏障到达脑实质. 这里, 我们回顾了经鼻治疗可能进入大脑的途径, 细胞类型, 以及鼻内相关疾病干细胞疗法, 并探讨其治疗中枢神经系统疾病的优缺点, 为鼻内应用提供参考干细胞疗法.

背景
中枢神经系统 (中枢神经系统) 疾病, 比如脑血管疾病, 阿尔茨海默病 (广告), 和帕金森病 (PD), 主要涉及伤害, 退化, 和神经细胞的损失. 干细胞是一类具有自我更新和多能性潜力的细胞, 在替代受损神经细胞和改善神经功能方面表现出巨大潜力 [1]. 干细胞治疗在中枢神经系统疾病的治疗方面具有广阔的临床前景, 多项正在进行的临床试验 [2].

血脑屏障 (血脑屏障) 是通过传统治疗途径将大多数药物输送到中枢神经系统的障碍 (比如静脉注射) 降低大多数药物的疗效. 开发能够绕过血脑屏障的化合物始终是药物开发的一个挑战. 干细胞移植对PD和AD等多种疾病具有治疗潜力. 然而, 大脑干细胞治疗始终需要侵入性方法, 例如立体定向或鞘内注射. 侵入性方法限制了干细胞移植在神经系统疾病治疗中的应用. 许多研究发现鼻内应用 (什么时候) 可以绕过血脑屏障，将小分子物质和大分子蛋白质输送到中枢神经系统 [3, 4]. 而且, 与立体定向脑注射和鞘内注射相比, INA 侵入性较小，可重复进行. 威廉·弗雷 (William Frey) 在 1989 [5]. 自那以后, 许多其他物质，例如化学品 [6], 质粒 [7], 肽 [8, 9], 病毒 [10], 和金属 [11] 已成功通过鼻腔递送. 在 2009, 丹尼尔扬等人. 首次递送荧光标记的大鼠间充质干细胞 (间充质干细胞) 或人类神经胶质瘤细胞通过鼻腔进入啮齿动物大脑. 在嗅球中观察到鼻内递送的细胞, 皮质, 小脑, 和蛛网膜下腔 [5]. 自那以后, 多项研究表明，来自不同组织的干细胞也可以通过 INA 输送至中枢神经系统, 表现出治疗效果 [12,13,14,15]. 鼻内递送的细胞可以在嗅球中观察到, 皮质, 小脑, 和蛛网膜下腔 [12]. 在缺氧缺血和缺血性中风的小鼠模型中，鼻内递送的细胞甚至表现出更广泛的迁移至受伤或受损区域 [16, 17], 或脑肿瘤 [18, 19]. 相比之下, 它们似乎并不局限于室下区; 内源性成体干细胞富集的区域 [17]. 然而, 值得注意的是，鼻内输送的干细胞迁移效率较低，因为鼻内给药1小时后仍有大量细胞残留在上鼻腔中 [12, 14]. 这里, 我们回顾了鼻内治疗中枢神经系统疾病可能的入脑途径和干细胞的类型. 由于空间有限, 我们目前的评论仅讨论干细胞的 INA, 而不是可以通过 INA 输送的其他物质, 已在其他地方审查过 [20,21,22,23,24,25].

INA可能进入大脑的途径
自从 1989, 弗雷证明了从鼻子到大脑路线的存在，为INA开启了新纪元 [5]. 在INA, 物质沉积在鼻腔的上皮细胞层，并通过嗅觉或三叉神经直接迁移到达脑实质, 或通过脑脊液循环 [24]. 一旦物质到达其特定位置, 它们可以通过细胞内和细胞旁转运途径转运至中枢神经系统 (如图. 1).

INA 物质可能进入大脑的途径 (以啮齿类动物为例). 鼻内注射至啮齿类动物鼻腔后, 药物或细胞通过细胞内和/或细胞旁途径运输, 并穿过嗅上皮，沿嗅神经到达嗅球, 或沿三叉神经眼支或上颌支穿过呼吸道上皮到达嗅球/脑干. 到达中枢神经系统后, 药物或细胞通过脑脊液和/或血管周围空间进一步分布在大脑中

细胞内转运途径
受体介导的内吞作用是物质通过细胞内转运途径进入中枢神经系统的主要机制. 索恩等人. 发现辣根- 过氧化物酶结合的麦芽凝集素 (辣根过氧化物酶) 可以通过嗅觉受体神经元受体介导的内吞作用到达脑实质 (奥恩的) [26]. 被 ORN 内化后, 这些物质形成囊泡并沿着轴突移动. 一旦囊泡到达神经末梢, 这些物质通过胞吐作用释放到达嗅球的肾小球周围细胞层. 肾小球周围细胞层内的二尖瓣细胞表面也有介导内吞作用的受体, 产生物质的二次运输. 通过以上过程, 物质可以扩散到多个大脑区域, 主要包括嗅结节, 梨状丛, 杏仁核, 下丘脑, 和内嗅丛 [27]. 除了 ORN 之外, 罗伯逊等人. [28] 和安东等人. [29] 证实WGA-HRP通过三叉神经眼支和上颌支的神经内吞作用进入中枢神经系统.

鼻内注射后数小时内即可观察到物质在中枢神经系统中的分布. 相比之下, 物质通过细胞内转运途径进入中枢神经系统需要更长的时间. 此外, 特点, 物质的分子量, 受体的选择性限制了运输效率 [21], 表明细胞内转运可能不是 INA 之后的主要途径. 需要进一步研究来验证干细胞是否通过细胞内运输途径进入大脑.

细胞旁转运途径
在生理结构上, 细胞通过不同的结构相互连接, 例如常见的紧密连接 [30]. 这些连接本质上是大分子药物不可渗透的. 然而, 在鼻腔里, 由于神经元和基底细胞的不断更新，它们具有渗透性, 为旁细胞运输提供基础. 通过细胞旁转运途径, 药物可以在几到 30 分钟内到达嗅球和中枢神经系统的其他区域 [31].

神经周围通路
在神经系统中, 中枢神经系统中的少突胶质细胞和周围神经系统中的雪旺细胞形成髓鞘, 围绕轴突或感觉神经元的长树突. 髓鞘和神经元之间的空间称为神经周围间隙. 髓鞘具有可塑性，在神经信号转导中发挥重要作用. 此外, 它们支持和引导神经元迁移并参与物质代谢和营养功能 [32]. 它们还构成物质从嗅上皮沿嗅神经或从呼吸道上皮沿三叉神经进入中枢神经系统的生理基础. 鼻内递送药物的细胞旁途径起始于嗅上皮细胞的细胞旁裂 (如图. 1). 嗅觉神经元和支持细胞之间的紧密连接使物质能够从鼻腔移动到固有层 [33]. 大部分物质被局部血管或淋巴管从固有层吸收，进入颈淋巴结. 其余物质通过神经周围间隙运输, 沿着嗅神经, 并终止于嗅球. 物质也可以沿着三叉神经移动, 穿过筛板, 并到达嗅球或脑干 [34]. 之前的研究表明，鼻腔给药2小时后，MSCs可以穿过筛板并在嗅球的嗅神经层中检测到 [14], 但机制仍不清楚.

血管周围通路
血管周围空间在物质通过神经周围途径到达中枢神经系统后输送到大脑深部方面发挥着重要作用, 尤其是早期小分子在脑实质快速分布的过程 [35]. 血管周围空间是大脑中大、中型动脉和静脉的内皮与其周围的神经胶质细胞之间形成的. 脑淋巴系统研究, 伊利夫等人. 认为大部分脑脊液从蛛网膜下腔通过血管周围间隙流回脑实质并与脑组织液交换 [36]. 在鼻内注射和通过蛛网膜下腔注射的示踪剂之间观察到类似的分布, 提示血管周围空间参与 INA 后的转运路线 [37, 38]. 这就提出了一个问题：干细胞是否可以通过这条途径在大脑中分布. 虽然血管周围空间的结构表明大分子物质很难存在于血管周围空间 [31], 一些结果表明，注射 MSC 后 7 天观察到 MSC 标记物和血管内皮标记物冯维勒布兰德因子的共定位 [14]. 内源性干细胞可以从室下区迁移 (SVZ) 使用血管周围空间作为支架，通过吻端迁移到嗅球 [39]. 外源干细胞的INA是否可以利用该途径是一个值得进一步研究的问题.

经鼻途径施用的干细胞类型
尚无研究同时比较所有类型干细胞的功能. 一些体内研究表明，将神经干细胞移植到患有与小胶质细胞激活相关的神经退行性疾病的大脑后，小胶质细胞的融合作用可能更加重要. 在体外培养的干细胞中, 已经清楚地表明胚胎干细胞很容易与小胶质细胞融合. 然后这些小胶质细胞, 反过来, 继续与成熟神经元融合 [20]. 然而, 明确证明哪种类型的鼻内递送干细胞在达到适当目标方面表现最佳并具有最佳恢复或治疗效果可能很困难. 我们同意 Danielyan 等人的结论. 干细胞的运动性和迁移潜力可以作为其治疗效果的预测因子，因为它们都与干细胞的功能异质性有关 [40].

神经干细胞 (神经干细胞)
NSCs具有分化为神经元和神经胶质细胞的能力, 从而在治疗神经系统疾病方面具有优势. NSC 可以通过从新生大鼠或 E14 大鼠的 SVZ 中分离细胞来获得 [41] 或来自其他多能干细胞（例如造血干细胞）的分化, 胚胎干细胞, 间充质干细胞, 和诱导多能干细胞 (诱导多能干细胞) [42]. NSCs的INA已用于治疗多种神经系统疾病. 例如, NSC 的 INA, 与其他治疗相结合, 提高小鼠大脑胶质母细胞瘤模型的存活率 (胶质母细胞瘤) [19, 43, 44]. 鼻内注射 NSC 也已用于治疗脑损伤 [45] 和PD [46]. 然而, 从临床应用来看, 因为人类NSCs的主要来源是胎儿脑组织, 其临床应用受到伦理问题的限制 [13].

间充质干细胞
MSC 是源自各种来源（包括骨髓）的成体干细胞, 胖的, 脐带, 和脐带血. 骨髓间充质干细胞 (骨髓间充质干细胞) 包含表达巢蛋白的子群, NSC 的标记, 并能分化为功能完整的胶质细胞和神经元, 促进神经组织再生 [47]. 所以, BM-MSCs的INA已广泛应用于治疗脑损伤的研究 [48], 神经退行性疾病, 和神经胶质瘤 [15]. 多项与鼻内注射间充质干细胞治疗中枢神经系统疾病相关的临床试验正在进行中.

除了 BM-MSC 之外, 最近的一些研究探索了鼻内注射牙髓干细胞的治疗潜力 (DPSC) 在治疗PD [49]. DPSCs是神经嵴来源的外胚层间充质干细胞，具有很强的自我更新和多能能力. 它们可以很容易地从提取的牙髓中分离出来，在治疗中枢神经系统疾病和视网膜病变方面显示出巨大的潜力. 子宫内膜间充质干细胞也用于PD治疗 [50].

诱导多能干细胞
iPSC 是一种特殊类型的干细胞，由体细胞改造而来, 它们的特性类似于胚胎的内部质量细胞. iPSC 是通过基因工程从体细胞产生的, 通过这种方法，体细胞被重编程为具有与胚胎干细胞相似的多能能力的细胞. 这项技术最早由日本科学家山中伸弥于 2006 [51]. 自体 iPSC 诱导 NSC 或其他神经细胞会降低 iPSC 的免疫原性, 因此移植后产生免疫排斥反应, 并解决移植 NSC 的伦理问题. 许多研究表明iPSC的INA可以抑制急性或慢性气道炎症 [52,53,54], 但目前仍缺乏 iPSC 或 iPSC 衍生细胞在神经系统疾病中的 INA 研究.

干细胞 INA 用于治疗中枢神经系统疾病
没有研究表明与其他给药途径相比，某些特定疾病最能从 INA 中获益. 明显地, 在同一项研究中很难比较所有疾病和所有给药途径. 虽然 INA 但它没有疾病特异性, 也显示了其在多种神经系统疾病中广泛应用的优势. INA 在多种情况下比静脉注射或其他给药途径具有优势 [13]: (1) 它对中枢神经系统的传递程度更高; (2) 它避免了首过代谢; (3) 它是非侵入性的且易于管理, 如有必要，允许重复给药; 和 (4) 由于其他健康器官不会接触治疗化合物，因此可以将其副作用降至最低. 这些特性使得静脉注射成为治疗具有多个病理区域的长期神经系统疾病的主要策略之一, 如 AD 和 PD.

神经炎症是神经系统疾病发生、发展的重要因素, 尤其是在 PD 和 AD 中. 然而, 神经系统疾病中的神经炎症仅靠药物治疗很难达到最佳效果. 幸运的是, 越来越多的研究证实，移植到大脑中的干细胞可以调节病变的微环境并改变炎症介质, 从而减轻神经系统疾病的症状. 一些研究表明干细胞的INA也能起到抗炎作用 [55]. 例如, 丹尼尔扬·L等人. [56] 报道单侧 6-羟基多巴胺对大脑的非侵入性 INA (6-奥达)-病变大鼠. 干细胞 INA 40–110 天后, MSC 降低炎症细胞因子白细胞介素的浓度 (伊尔)-1乙, 白细胞介素2, 白细胞介素6, 白细胞介素12, 肿瘤坏死因子, 干扰素-γ, 病变侧的粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子的水平达到完整半球的水平. 麦克唐纳等人. [57] 发现临床相关剂量的人脐带间充质干细胞在新生儿缺氧缺血性脑损伤大鼠模型中的 INA 通过恢复神经元细胞数量和减少脑炎症具有神经保护作用.

神经退行性疾病
常见的神经退行性疾病包括PD, 广告, 亨廷顿病, 和肌萎缩侧索硬化症, 其特征是大脑和/或脊髓中的神经元变性和损失. 在神经退行性疾病的治疗中, 干细胞可以通过转移神经营养因子来替代退化细胞或保护细胞 [58] 在临床前研究和正在进行的临床试验中表现出治疗潜力.

PD
PD的病理特征是黑质多巴胺能神经元的丧失和路易体的形成. 目前PD的治疗主要依靠药物治疗和辅助手术治疗, 表现出运动波动的症状减弱 [59]. 对帕金森病其他治疗方法的探索已显示出有希望的结果, 例如干细胞疗法, 使用抗体进行免疫和炎症治疗, 和基因治疗 [60]. 干细胞移植可预防帕金森病患者黑质多巴胺能神经元的丧失. 主要移植方法是通过立体定向注射将细胞直接注入脑实质, 这是侵入性的. 因此, 无创INA备受关注. 桌子 1 列出鼻内研究干细胞治疗近年来啮齿动物模型中PD的研究进展. 在 2011, 丹尼尔扬等人. 首次尝试在 6-OHDA 诱导的单侧黑质损伤的大鼠模型中使用鼻内 MSC 治疗帕金森病 [56]. MSC进入, 幸存下来, 并在脑实质中增殖至少 4.5 个月. 鼻内移植间充质干细胞有效提高酪氨酸羟化酶 (TH) 受损黑质和纹状体的水平, 以及模型大鼠的运动症状 [56]. 随后, 骨髓间充质干细胞, 神经干细胞, DPSC, 子宫内膜间充质干细胞鼻内给药治疗PD模型啮齿动物. 并且都产生了一定的治疗效果 [46, 49, 50, 62, 63]. 然而, 进入途径, 影响因素及不同类型鼻内注射干细胞的不同效果, 尚未阐明，值得进一步探讨.

桌子 1 干细胞INA治疗PD模型的最新研究
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广告
AD 是最常见的神经退行性疾病, 其病理学特征是β-淀粉样蛋白形成的淀粉样斑块的积累 (Aβ) 和由过度磷酸化的 tau 蛋白组成的神经原纤维缠结. 在 AD 患者的大脑中观察到突触可塑性受损和神经退行性变. 外源干细胞在失败神经元回路的重建和再生中发挥重要作用 [64]. 在 2014, Danielyan L研究组采用鼻内注射BM-MSCs治疗AD转基因APP/PS1小鼠. INA 后 7 天, 在海马和枕叶皮质的 Aβ 沉积附近发现干细胞. 移植的细胞也是Aβ阳性, 表明它们对 Aβ 具有吞噬和清除作用 [62]. 在 2015, 米塔等人. 发现鼻内注射源自人脱落乳牙的干细胞的无血清条件培养基后 (SHED-CM), AD模型小鼠认知功能得到改善 [65]. 鼻内注射可溶性分子 [66] 或外泌体 [67] MSCs 改善 AD 小鼠的炎症并减少 Aβ. 桌子 2 干细胞INA治疗AD模型小鼠的最新研究综述. 鼻内注射间充质干细胞改善亨廷顿病异常的多巴胺系统和炎症反应 [68].

桌子 2 干细胞INA治疗AD小鼠模型的最新研究
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脑血管疾病
干细胞治疗在脑血管疾病的预后和功能修复方面也具有优势, 尤其是一些缺血性血管疾病. 体内, 外周血管内皮祖细胞可以修复受损的血管内皮细胞，促进血管再生 [69]. 在 2012, 魏等. 研究了缺血性中风小鼠模型中 BM-MSC 的鼻内移植. 给药后1.5小时干细胞到达缺血皮质并沉积在血管外. 移植的干细胞定位于梗塞区域, 保护其中的细胞 [16]. 鼻间充质干细胞条件培养基还可改善大脑中动脉闭塞MCAO模型大鼠的症状并增强血管重塑 [70]. 干细胞INA对蛛网膜下腔出血模型啮齿动物也有治疗作用 [71] 或新生儿脑损伤 [72,73,74].

胶质母细胞瘤
GBM是最具侵袭性的恶性肿瘤之一，预后较差. 干细胞立体定向注射在 GBM 治疗中取得了令人鼓舞的结果. 药物输送的重复性差和侵入性限制了其应用. INA 提供了一种良好的干细胞给药方法 [15]. 在 2012, 赖茨等人. 发现 INA 后 6 小时在 GBM 组织周围检测到 NSC, 24小时达到峰值，并在大脑中持续5天以上 [44]. 在 2016, 戴伊等人. 通过低氧预处理或趋化因子CXC受体的过表达显着增强NSCs靶向肿瘤的能力 4. 修饰后的NSCs更有效地将溶瘤病毒递送至神经胶质瘤并延长实验动物的存活时间, 与放射治疗相结合 [43]. 目前的研究表明，鼻内干细胞疗法 (尤其是 NSC), 与其他治疗结合后, 对GBM的治疗及预后有良好效果，前景广阔.

鼻内给药的局限性干细胞疗法
INA 后大脑中的细胞迁移
荧光示踪技术可用于监测细胞进入大脑后的分布. 作为第一批开拓者, 丹尼尔扬等人. 鼻内递送荧光标记的大鼠 MSC 或人神经胶质瘤细胞至初始小鼠和大鼠. 在嗅球中发现了荧光标记的细胞, 小脑, 蛛网膜下腔, 和皮质 [56]. 在同一小组的另一项研究中, AD模型小鼠中MSCs分布在Aβ附近 [62]. 赖茨等人. 鼻内注射增强型绿色荧光蛋白 (绿色荧光蛋白)-将神经干细胞标记到神经胶质瘤小鼠模型中，发现细胞主要聚集在肿瘤附近 [44]. 在我们的研究中比较人类神经干细胞的生物分布 (国家科学中心) 通过 INA 迁移到大脑, 我们发现 INA 输送的 hNSC 可以迁移到纹状体中, 海马体, 小脑, MPTP 中的脊髓和脊髓 (1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶) 治疗小鼠, 但在正常小鼠中 INA 后它们不能迁移到 CNS [75]. 越来越多的研究表明，由于疾病模型以及干细胞的输送和数量的差异，随着时间的推移，大脑区域之间的生物分布存在差异. 关于哪种方法最适合标记或追踪干细胞，目前还没有明确的答案. 一些学者认为体内神经影像可能有好处 [19, 76]. 然而, 根据我们之前的研究结果 [75], 正电子发射断层扫描/计算机断层扫描的体内追踪效果并不令人满意, 还需要更多的研究. 一些跟踪研究显示了干细胞的进入路径. 例如, 加莱亚诺等人. 用明亮的量子点标记 hMSC，以便有效地追踪细胞 [14]. 使用干细胞外泌体在滴鼻剂中治疗神经系统疾病也受到了相当大的关注. 在 2019, 佩雷茨等人. 证实鼻内施用的间充质干细胞的外泌体选择性地靶向不同神经系统疾病模型中的脑组织 [67]. 这表明一些分泌物质在鼻内注射干细胞的迁移和归巢过程中发挥着重要作用.

干细胞进入的效率和数量
INA 后并非所有干细胞都到达脑实质. 卡洛斯等人. 结果表明，鼻内注射的 MSC 中, 只有少数通过筛板进入中枢神经系统, 而大多数都落入了鼻甲骨的缝隙中 [14]. 丹尼尔扬等人. 使用 eGFP DNA 的定量聚合酶链反应分析来显示 INA 后 eGFP-MSC 的产量 [56, 62]. 他们用了 1106 INA 的 MSC, 但仅 1104 在嗅球中发现, 100 在海马体和 10 在皮质中. 所以, 需要进一步研究以提高细胞递送效率. 有实验表明，透明质酸酶可以大大增加嗅上皮的通透性，提高物质利用率. 该方法也已用于鼻内干细胞治疗 [12, 15]. 应该指出的是，各个研究中使用了不同浓度的干细胞. 因此, 初始细胞浓度对实验结果有影响吗? 一项关于PD的研究报告称，低干细胞浓度治疗组的行为改善优于高浓度组 [50], 但这个结果需要验证.

模型动物体重和年龄
鼻内注射后药物或细胞的分布在不同的动物模型中表现出差异. 即使在同一个动物模型中, 根据动物年龄和体重，鼻内注射显示出不同的递送效果. 克里希南等人. 将放射性标记药物解磷定注射入模型动物鼻腔, 这表明与体重较低的年轻动物相比, 体重较高的老年动物需要更高的剂量才能在全脑中达到相同的药物浓度 [77]. 这表明鼻内给药干细胞的分布可能受到模型动物年龄和体重的影响.

结论: 总结与展望
INA具有无创、实用性高等优点. 促进各类药物分子和干细胞绕过血脑屏障到达中枢神经系统, 提供了一种非侵入性且有效的方法干细胞疗法在中枢神经系统疾病中. 然而, 与小分子物质不同, 干细胞的经鼻转运途径仍不清楚. 未来的研究需要优化方法以提高干细胞鼻内移植的输送和治疗效率以及安全性. 从动物实验到临床试验的转化还有很多问题需要考虑 (桌子 3).

桌子 3 干细胞通过 INA 从动物实验到临床应用的挑战
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数据和材料的可用性
数据共享不适用于本文，因为当前研究期间没有生成或分析数据集.

缩写
Aβ:
β淀粉样蛋白

广告:
阿尔茨海默病

血脑屏障:
血脑屏障

骨髓间充质干细胞:
骨髓间充质干细胞

中枢神经系统:
中枢神经系统

DPSC:
牙髓干细胞

人神经干细胞:
人类神经干细胞

什么时候:
鼻内应用

诱导多能干细胞:
诱导多能干细胞

间充质干细胞:
间充质干细胞

神经干细胞:
神经干细胞