间充质基质细胞通过体外循环减轻长时间体外循环诱导的神经炎症

《Interdisciplinary CardioVascular and Thoracic Surgery》：Mesenchymal stromal cells mitigates prolonged cardiopulmonary bypass-induced neuroinflammation

本研究针对小儿心脏手术中体外循环(CPB)引发的神经炎症难题，探讨了骨髓间充质基质细胞(BM-MSCs)经CPB途径给药的干预效果。研究发现延长CPB时间会显著增加脑内小胶质细胞活化和血浆IFN-γ水平，而BM-MSCs治疗能有效逆转这种过度炎症反应，并通过调节NF-κB信号通路和细胞因子平衡（提升IL-10、IL-8、IL-1β，降低IFN-γ）发挥神经保护作用，为先天性心脏病患儿术后神经功能改善提供了新策略。

　　

在先天性心脏病患儿的手术治疗中，体外循环(cardiopulmonary bypass, CPB)技术的应用虽然为心脏手术创造了必要条件，但其所引发的全身性炎症反应却成为影响患儿术后神经发育的重要挑战。据统计，接受心脏手术的婴儿中，有相当比例会出现不同程度的神经发育障碍，这一现象引起了临床和科研人员的广泛关注。究其根源，CPB过程中血液与人工管道接触会激活炎症级联反应，进而影响血脑屏障功能，导致中枢神经系统炎症反应。特别是在发育不成熟的大脑中，这种炎症反应可能对白质(white matter, WM)发育产生长期负面影响。

深入研究CPB诱导的神经炎症机制，研究人员发现小胶质细胞(microglia)在这一过程中扮演着关键角色。作为中枢神经系统的常驻免疫细胞，小胶质细胞不仅参与损伤后的修复过程，还在大脑发育过程中调控灰质和白质的成熟。然而，当CPB持续时间延长时，小胶质细胞会出现过度活化，产生大量促炎因子，反而加剧神经损伤。这种"双刃剑"效应使得如何精准调控小胶质细胞功能成为神经保护研究的重要方向。

在此背景下，间充质基质细胞(mesenchymal stromal cells, MSCs)因其独特的免疫调节特性而备受关注。特别是骨髓来源的MSCs(bone marrow-derived MSCs, BM-MSCs)，能够分泌多种生长因子、细胞因子和其他生物活性分子，通过内分泌功能调节细胞和组织损伤。更为重要的是，BM-MSCs能够调节小胶质细胞增殖，并促使其从促炎状态向修复允许状态转变，这为CPB诱导的神经炎症提供了潜在治疗策略。

为了验证BM-MSCs在更严重炎症条件下的治疗效果，研究团队构建了延长CPB时间的动物模型，模拟临床中可能遇到的复杂情况。这种设计思路体现了转化医学的研究理念：不仅要在理想条件下验证治疗方法的有效性，更要考察其在接近临床实际场景中的表现。

研究团队采用了两周龄的约克夏仔猪作为实验对象，随机分为五组：对照组、标准CPB组（含深低温停循环，deep hypothermic circulatory arrest, DHCA）、CPB+BM-MSCs组、延长CPB组（CPB-L）以及延长CPB+BM-MSCs组。在CPB复温期间，通过CPB回路给予人源BM-MSCs（剂量为1×10⁷ cells/kg）。研究人员在特定时间点（T1：CPB开始后150分钟；T2：CPB开始后330分钟）收集血浆样本，检测9种猪细胞因子水平，并在实验终点获取脑组织进行小胶质细胞免疫组化分析和运动前皮层RNA测序。

主要技术方法包括：建立仔猪CPB-DHCA手术模型模拟临床心脏手术条件；通过免疫荧光双标（Iba1标记总小胶质细胞，CD11b标记活化小胶质细胞）定量分析不同脑区炎症反应；利用液相芯片技术检测多指标细胞因子谱；采用RNA测序结合基因集富集分析(gene set enrichment analysis, GSEA)探索分子机制；应用多种统计方法（方差分析、相关性分析等）确保结果可靠性。

延长CPB时间增加白质小胶质细胞数量

实验结果显示，与对照组相比，两种CPB处理组（标准CPB和延长CPB）的大脑皮层和白质区域中，Iba1⁺小胶质细胞和CD11b⁺Iba1⁺活化小胶质细胞数量均显著增加。特别值得注意的是，虽然皮层区域两种CPB处理组间无显著差异，但延长CPB组的白质区域小胶质细胞数量明显高于标准CPB组，表明白质对小胶质细胞激活的敏感性更高。区域分析显示各白质区域间无显著差异，表明CPB诱导的炎症反应具有全脑性特征。

BM-MSC治疗减轻延长CPB诱导的小胶质细胞扩张和活化

BM-MSC治疗显著改善了延长CPB引起的小胶质细胞增加，这一效果在所有评估的皮层灰质和白质区域均一致。通过CD11b表达水平评估的小胶质细胞活化状态也得到明显改善，证明BM-MSCs对过度炎症反应具有强大的抑制作用。这种保护作用不仅体现在细胞数量上，更反映在功能状态的调控上，为临床应用提供了有力证据。

经CPB给予BM-MSC改变心脏手术后细胞因子水平

在T1时间点，BM-MSC治疗显著降低了IFN-γ水平（3.24 vs. 1.03 pg/ml），同时提高了抗炎细胞因子IL-10水平（257.7 vs. 721.5 pg/ml）。有趣的是，IL-8水平在BM-MSC治疗后也出现上升。在T2时间点，延长CPB导致IFN-γ和TNF-α水平进一步升高，而BM-MSC治疗有效抑制了这种上升趋势。特别值得注意的是，IL-1β水平在BM-MSC治疗后显著升高，这一看似矛盾的现象可能反映了BM-MSCs在特定微环境下的免疫调节复杂性。

CPB创造类肿瘤炎症微环境，BM-MSC可逆转此过程

RNA测序分析发现，CPB后差异表达基因(differentially expressed genes, DEGs)中，IL-1处理相关信号通路显著下调。GSEA分析显示TNF-α/核因子κB(nuclear factor-kappa B, NF-κB)信号复合体编码转录本表达减少。通过BioPlex 2017互作组数据库分析，发现RELB和NFKBI蛋白是CPB后下调基因集的显著互作蛋白。此外，CPB后上调基因与周围有髓神经纤维减少相关，表明白质损伤是CPB的主要影响之一。这些发现提示CPB可能在发育大脑中创造了一种类似肿瘤的炎症环境，而BM-MSCs可能通过调节这一环境发挥治疗作用。

小胶质细胞数量与活化状态与抗炎/促炎细胞因子水平相关

相关性分析揭示了系统性炎症与中枢神经反应之间的密切联系。IFN-γ水平与小胶质细胞数量呈正相关，而IL-10水平则呈负相关。特别值得注意的是，IL-8和IL-1β水平也与小胶质细胞数量和活化状态呈负相关，这一发现支持了它们在特定环境下可能发挥免疫抑制作用的假设。这些相关性表明BM-MSCs诱导的早期细胞因子调节可能影响小胶质细胞反应，为理解治疗机制提供了重要线索。

研究结论表明，通过CPB给予BM-MSCs展现出了缓解CPB诱导的广泛炎症应激的显著潜力。BM-MSCs能够有效调节小胶质细胞反应，改变细胞因子平衡，并在分子水平上影响关键信号通路。特别重要的是，即使在延长CPB时间的严重炎症条件下，BM-MSCs仍能保持其抗炎特性，这为其在复杂临床场景中的应用提供了实验依据。

讨论部分进一步阐述了IFN-γ作为细胞介导免疫关键促炎细胞因子，通过JAK-STAT信号通路在炎症反应中发挥核心作用。延长CPB时间导致循环IFN-γ水平升高，与小胶质细胞活化加剧相一致。反应性小胶质细胞增生通过产生促炎因子对周围神经元和胶质细胞产生毒性，加重脑损伤。BM-MSCs通过调节小胶质细胞表型，可能间接减少炎症反应。

对于BM-MSC治疗后IL-8和IL-1β水平升高的现象，研究团队提出了创新性解释：虽然传统上被视为促炎因子，但在特定环境下，这些因子可能参与免疫抑制机制的建立。例如，IL-8在MSC介导的CD4⁺ T细胞招募中发挥作用，而IL-1β在某些情况下可促进免疫抑制性肿瘤微环境形成。这种双重角色可能解释了BM-MSCs治疗的复杂性。

从转化医学视角看，本研究不仅证实了BM-MSCs在标准CPB条件下的有效性，更重要的是证明了其在更接近临床复杂情况的延长CPB模型中的治疗潜力。由于CPB期间的炎症反应因患者特征、手术类型和CPB管理策略而异，这种"压力测试"为将来个性化治疗方案的制定提供了重要参考。

研究的局限性包括缺乏长期结果评估、样本量较小以及NF-κB通路激活的直接验证不足。未来研究需要进一步探索CPB对发育免疫系统的影响，以及MSCs在CPB诱导免疫调节中的作用机制。

总之，这项研究为BM-MSCs在小儿心脏手术中的神经保护应用提供了坚实证据，同时揭示了CPB可能在大脑中创造类肿瘤微环境的新现象。这些发现不仅对先天性心脏病患儿的治疗具有直接临床意义，也为理解炎症与神经发育的相互作用提供了新视角。随着进一步研究的深入，这一治疗策略有望为改善先心病患儿长期神经发育结局开辟新途径。