热休克预处理可增强间充质干细胞治疗创伤性脑损伤的疗效

《Biochemical and Biophysical Research Communications》：Heat shock preconditioning potentiates the therapeutic efficacy of mesenchymal stem cells for traumatic brain injury

　　

Jiarong Huang|Donghua Chen|Ling Tang|Yi Feng|Qiong Chen|Bingyi Wu

南方医科大学南方医院医学研究中心，中国广东省广州市510515

摘要

创伤性脑损伤（TBI）是一种严重的疾病，其在年轻人中的发病率很高，并可能导致显著的神经功能障碍。TBI后认知功能的下降通常是由持续的神经炎症状态引起的，这种状态会损害血脑屏障（BBB）的完整性并加速神经元的丢失。间充质干细胞（MSCs）因其再生和免疫调节特性而成为治疗TBI的有希望的方法。在这里，我们发现热休克（HS）预处理是一种有效的方法，可以增强脐带来源的MSCs对TBI的治疗效果。HS预处理调节了MSCs的生物学特性，包括上调免疫调节基因以及增强热休克蛋白70（Hsp70）和基质金属蛋白酶-2（MMP2）的表达。在体外实验中，HS显著提高了MSCs的迁移能力；在体内实验中，它提高了MSCs向损伤部位的归巢效率。在TBI小鼠模型中，给予HS预处理的MSCs（HS-MSCs）改善了认知结果，防止了血脑屏障的渗透，并减轻了神经炎症反应。在体外实验中，HS-MSCs对小胶质细胞表现出增强的免疫调节作用，包括减少促炎介质的表达并趋向于抗炎表型。此外，HS-MSCs治疗还与NOD样受体家族pyrin结构域包含3（NLRP3）炎性小体通路的关键成分的表达减少有关。总体而言，这些发现表明HS预处理可能通过调节神经炎症过程来增强MSCs在TBI中的治疗潜力。

引言

创伤性脑损伤（TBI）是由外部力量引起的脑结构或功能障碍，与高死亡率和残疾率相关[1]。TBI的病理过程包括两个不同的阶段：初级损伤由机械性损伤引起，包括神经元、轴突、胶质细胞和血管的剪切、撕裂和拉伸[2]；随后是继发性阶段，其特征是氧化应激和兴奋毒性，导致广泛的细胞死亡、血脑屏障（BBB）破坏、脑水肿、脑内出血和致命的脑损伤[3]。随后的免疫和炎症反应进一步加剧了神经元损伤。特别是神经炎症，表现为促炎细胞因子的释放、免疫细胞的招募和小胶质细胞的激活，在TBI的进展中起着关键作用[4]。鉴于这些复杂的病理机制，迫切需要既能限制损伤又能促进修复的联合治疗策略[5]。因此，基于细胞的疗法作为一种有前景的多靶点策略应运而生。间充质干细胞（MSCs）因其低免疫原性和免疫调节特性而受到广泛关注，使其能够用于自体或异体移植。此外，它们的抗凋亡、旁分泌和多向分化能力支持其在包括TBI在内的多种疾病的转化研究和临床试验中的应用。临床前研究表明，MSCs的给药可以改善TBI的多种病理表现[6]，[7]，临床试验也报告了神经功能的改善[8]，[9]。值得注意的是，MSCs的治疗效果主要归因于它们通过抑制过度的小胶质细胞激活并诱导从促炎M1表型向抗炎M2表型的转变来调节神经炎症的能力[10]，[11]，[12]。

最近的研究集中在通过预处理来优化MSCs。热休克（HS）已被证明是一种有前景的方法，可以增强MSCs在各种疾病模型中的治疗潜力，包括急性肺损伤[13]和肝缺血/再灌注损伤[14]，[15]。先前的研究表明，在41°C或44°C下进行1小时的特定轻度HS可以上调MSCs中的热休克蛋白（Hsps）和干性标志物的表达，并增强其分化能力[16]。此外，HS预处理（43°C，1小时）可以增强神经营养因子、抗炎因子、干性和归巢相关基因的表达，从而在急性犬脊髓损伤模型中促进功能恢复[17]。机制上，HS通过上调Hsp70来增强MSC的治疗效果，Hsp70可以抑制巨噬细胞中的NOD样受体家族pyrin结构域包含3（NLRP3）炎性小体的激活[13]。此外，MSCs治疗的好处主要通过旁分泌信号传导实现，特别是通过细胞外囊泡（EVs）。HS预处理通过上调瞬时受体潜在香草酸2（TRPV2）来增加EV的释放，这可能有助于增强MSCs的治疗效果[14]。

尽管HS预处理显示出治疗潜力，但其在TBI背景下的效果仍不清楚。在这项研究中，我们旨在探讨HS预处理是否能够增强MSCs在TBI中的治疗效果。具体来说，我们评估了MSCs在体内和体外的迁移能力，以及其对TBI后小鼠的功能恢复、血脑屏障完整性和神经炎症的影响。此外，我们还研究了HS预处理的MSCs（HS-MSCs）对小胶质细胞炎性小体激活的影响。总体而言，我们的发现表明HS-MSCs可能通过调节小胶质细胞的极化和NLRP3炎性小体通路来发挥神经保护作用。

章节片段

人脐带来源MSCs的培养和鉴定

人脐带来源MSCs的分离、培养和鉴定方法是根据已发表的协议修改的[18]。本研究中使用的MSCs是使用南方医院精准医学中心建立的方案制备的。简而言之，从胎盘收集足月新生儿的脐带，这些脐带是在获得家庭知情同意的情况下，由南方医院妇产科提供的

MSCs的培养和鉴定

经过24小时的贴壁培养后，MSCs形成了单层并表现出特征性的形态，表现为旋涡状的成纤维细胞样贴壁细胞。这些细胞具有均匀的纺锤形形态，排列高度有序（图1A）。MSCs在体外可以分化为成骨细胞和脂肪细胞，这证明了它们的分化潜力（图1B-C）。流式细胞术分析显示，大多数

讨论

MSC疗法的治疗前景已在广泛的人类病理学研究中得到验证，在临床试验中取得了实质性进展[28]。然而，在转化过程中仍存在差距。临床试验的结果往往无法完全复制临床前研究中观察到的令人鼓舞的治疗效果[29]。预处理策略——如暴露于缺氧、HS或代谢应激——提供了一种通过增强MSCs活力来恢复其活力的可行方法

结论

TBI仍然是一种有效治疗选择有限的情况。我们的发现表明，HS预处理可能代表了一种增强MSCs治疗潜力的策略。具体来说，HS预处理的MSCs可能作为一种有前景的基于细胞的干预措施，用于减轻TBI后的神经炎症并促进功能恢复。

CRediT作者贡献声明

Ling Tang：撰写——审阅与编辑，正式分析。Donghua Chen：撰写——审阅与编辑，方法学，研究。Jiarong Huang：撰写——初稿，方法学，研究，正式分析，数据管理，概念化。Bingyi Wu：监督，项目管理，资金获取。Qiong Chen：可视化，数据管理。Yi Feng：撰写——审阅与编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据和材料的可用性

数据可应要求向作者索取。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：81771340）的支持。

利益冲突声明

没有需要披露的利益冲突。