《ChemistryOpen》：A Review of the Therapeutic Potential of Stem Cell-Derived Nanocarriers to Treat Neurological Disorders
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神经系统疾病（NDs）以特定神经元的显著丧失为特征，其中阿尔茨海默病和帕金森病是最常见的NDs，且近99%的“外来物质”被血脑屏障（BBB）和血-脑脊液屏障（CFB）禁止进入大脑。这些屏障在保护大脑的同时，也给药物递送带来了重大挑战，因为它们限制了许多治疗药物
神经系统疾病（NDs）以特定神经元的显著丧失为特征，其中阿尔茨海默病和帕金森病是最常见的NDs，且近99%的“外来物质”被血脑屏障（BBB）和血-脑脊液屏障（CFB）禁止进入大脑。这些屏障在保护大脑的同时，也给药物递送带来了重大挑战，因为它们限制了许多治疗药物进入大脑，这体现了缺乏针对发病机制治疗的主要表现。在多细胞移植研究取得显著成功后，干细胞疗法已被用于治疗神经系统疾病数十年。其作用方式包括直接替换受损或丢失的细胞、通过自分泌和旁分泌作用释放增殖和神经营养因子、抑制神经炎症，以及激活内源性脑祖细胞。干细胞来源的纳米载体结合了干细胞的再生能力与纳米技术的精确性，代表了一种创新且有前景的治疗神经系统疾病的策略。这些纳米载体具有天然生物相容性，能够有效穿过BBB，将治疗药物直接输送到受影响的神经组织，从而提高治疗效果并减少脱靶效应。然而，大规模生产、标准化和长期安全性方面仍存在关键挑战。因此，本综述研究了干细胞细胞外囊泡（EV）纳米载体（主要是外泌体）的潜在应用及其在神经系统疾病治疗中的最新进展。
1 常见神经系统疾病导论
神经系统疾病（NDs）涵盖影响大脑、脊髓和神经的各种疾病，导致多种严重的功能障碍。阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）和亨廷顿病（HD）等NDs在全球范围内，尤其是在老龄化人口中，日益成为严峻的健康挑战。这些疾病以神经元逐渐丧失为特征，导致运动、感觉和认知障碍。其共同致病机制包括错误折叠蛋白的病理性积聚，如AD中的淀粉样蛋白-β（Aβ）和PD中的α-突触核蛋白，激活一系列致病通路，包括氧化应激、线粒体功能障碍和炎症，最终导致神经元死亡。AD最为常见，占全球痴呆病例的60%–70%，影响约5000万人，每年花费超一万亿美元。AD以认知能力进行性下降、记忆障碍和运动残疾为特征，主要由大脑关键区域（如新皮质、海马、杏仁核、蓝斑和Meynert基底核）的选择性神经元丢失触发。AD的病理标志是Aβ斑块和过度磷酸化tau蛋白组成的神经原纤维缠结。目前仅有五种FDA批准的药物，均只能改善症状而不能改变病程。PD是一种进行性疾病，影响全球约1%的65岁以上人群，其特征是黑质致密部多巴胺能神经元的特异性变性，纹状体多巴胺水平显著下降（通常超过80%）。神经元的丢失与α-突触核蛋白聚集相关，导致路易小体和路易神经突形成。临床上表现为静止性震颤、运动迟缓、肌强直和姿势不稳等运动症状，以及认知损害、睡眠障碍、抑郁和焦虑等非运动症状。尽管对PD病理生理的理解有所进展，但目前仍无治疗能够阻止或逆转多巴胺能神经元的持续丧失。HD是一种常染色体显性遗传的神经退行性疾病，以运动障碍、心理不稳定和认知恶化为特征，由亨廷顿（HTT）基因中CAG三核苷酸重复的异常扩增导致，产生含有过长多聚谷氨酰胺链的缺陷HTT蛋白（mHTT）。HD中纹状体受损最为严重，随病情进展，大脑皮层等其他区域也出现神经元丢失。临床表现为体重下降、睡眠障碍、人格改变，以及舞蹈症等。卒中是一种潜在的致命性医疗事件，由大脑血液供应突然中断引起，分为缺血性和出血性两种，其中缺血性卒中占大多数。缺血性卒中可根据血流中断方式分为全脑缺血和局灶性缺血。尽管对发病机制了解加深，但治疗干预仍受限，迫切需要基于保护脑细胞、挽救神经元和修复受损组织的新研究。
2 血脑屏障复杂性带来的治疗挑战
血脑屏障（BBB）是一种高度选择性的半渗透结构，由脑内皮细胞、周细胞、星形胶质细胞和基底膜组成，属于神经血管系统。该系统严格调节氧气和营养物质进入大脑，同时允许废物排出并限制危险化学物质进入。BBB的紧密连接可阻止约98%的小分子和几乎所有大分子进入大脑，使药物递送极具挑战性。例如，在AD中，许多药物在临床试验中无法穿过BBB；在PD中，向黑质等深部脑区递送神经保护药物是主要障碍。此外，疾病状态下BBB完整性可能改变，进一步增加药物递送的复杂性。为缓解这一问题，研究者已探索了纳米颗粒、脂质体、树枝状聚合物、胶束和碳纳米管等更有效的递送系统。物理技术如聚焦超声和微泡辅助递送可暂时打开BBB，化学策略则使用渗透增强剂或受体介导的转运来增强纳米载体摄取。这些创新方法有望改变传统药物递送方式，提高治疗效果并减少副作用。
3 纳米技术在药物递送中的作用
纳米技术是一门结合化学、物理、工程和生物学的多学科科学，在纳米尺度（1–100 nm）上操纵物质并产生具有特定理化特征的材料。在药物递送中，特别是在克服BBB挑战方面具有关键应用。通过控制纳米颗粒的大小、表面电荷和功能化，可实现药物穿越BBB的递送。例如，聚合物纳米颗粒、脂质体和树枝状聚合物可设计为携带药物、蛋白质或核酸，实现受控释放和更好的中枢神经系统（CNS）疗效。此外，用针对病变神经细胞上生物标志物的抗体或肽修饰纳米颗粒表面，可提高位点特异性并减少副作用。纳米材料还可用于成像，通过磁共振和荧光成像等技术实时观察其迁移。然而，确保靶向准确性、生物相容性、最小化毒性和大规模生产等挑战仍然存在。总体而言，纳米技术为CNS药物递送提供了一种革命性方法，可实现精准、无创的协议，提高疗效并加速神经疾病患者的治疗结果。
4 干细胞基础治疗
干细胞是一类具有分化和自我更新两种重要能力的独特细胞。尽管有望治疗疾病，但大多数支持干细胞疗法的临床证据来自小型随机临床试验，疗效往往有限。此外，干细胞治疗还受到免疫排斥和恶性转化风险等因素的限制。近期的进展包括使用干细胞膜包被的纳米颗粒、干细胞来源的细胞外囊泡（EVs）以及支架中嵌入的干细胞等方法。干细胞膜和EVs已成为干细胞治疗的核心，是能够向其他细胞递送蛋白质、核酸和脂质等生物分子的内在纳米颗粒。其天然生物相容性和靶向性使其优于人工纳米载体。干细胞来源的纳米载体具有更长的体内循环时间、穿透BBB的能力、高稳定性和低免疫反应风险等优势。尽管前景广阔，但临床应用中仍存在产量低、纯度不足、批次变异和药物装载效率低等问题。为此，开发了仿生EV模拟纳米囊泡以复制天然EVs的关键特征并简化生产。
4.1 干细胞在纳米技术中的应用
干细胞在再生医学中具有巨大潜力，但面临免疫排斥、肿瘤风险和分化控制等挑战。与纳米技术结合产生了干细胞纳米技术，利用干细胞及其膜、EVs和分泌组来促进药物递送系统，实现靶向和高效治疗。
4.2 EVs的分类
EVs是微小的异质性膜结构，在细胞间通讯中起关键作用，存在于血浆、尿液、脑脊液、滑液、羊水、唾液、乳汁以及体外培养细胞系培养基等多种体液中。根据大小和形成方式分为三类：外泌体（40–150 nm）、微囊泡（MVs；100–1000 nm）和凋亡小体（ABs；800–5000 nm）。EVs由脂质双层膜包裹，包含RNA、可溶性蛋白等分子货物。其表面具有特定受体，可被受体细胞识别并转移蛋白质、脂质和遗传物质，从而调节受体细胞生理状态。
4.3 EVs的分离
从生物体液中分离和纯化EVs具有方法学挑战。常用技术包括超速离心、基于大小的分离、免疫亲和捕获和聚合物沉淀。超速离心产量高但耗时长（超过4小时）。超滤和尺寸排阻色谱较快，但可能导致囊泡损失。免疫亲和捕获特异性最高，但处理量小。聚合物沉淀简单但可能引入污染物。微流控方法可实现基于大小的分选，效率较高，但现有方法仍存在回收率低和纯度差的问题。
4.4 EVs的表征
EVs的表征需确定大小、浓度和形态等物理参数。高分辨率成像技术如电子显微镜（EM）和原子力显微镜（AFM）可用于形态观察。动态光散射（DLS）测量悬浮EVs的散射光，利用布朗运动计算流体动力学直径，但DLS对大颗粒权重较高。纳米颗粒跟踪分析（NTA）可测量EVs的大小和浓度，分辨率优于DLS。可调电阻脉冲传感（TRPS）通过纳米孔测量离子电流变化来获取EVs大小和浓度信息。每种方法均有优缺点，需结合使用。
4.5 干细胞基纳米载体
干细胞基纳米载体结合了干细胞治疗与纳米技术的精确性，主要使用两种方法：干细胞膜包被的纳米颗粒和干细胞来源的EVs。
4.5.1 干细胞膜-纳米载体
细胞膜包被的纳米颗粒通过将膜囊泡与核心纳米颗粒融合制备，具有更好的靶向能力和降低的免疫原性。间充质干细胞（MSC）膜因其封装功能和生物相容性成为有前景的天然载体。
4.5.2 EVs作为药物递送载体
干细胞来源的EVs在神经退行性疾病中的应用日益增多，具有类似于其亲本干细胞的功能，尤其在神经再生、神经保护、免疫调节和异常蛋白清除方面。工程化EVs可通过调节理化性质、表面特性和货物提高靶向性。EVs作为药物纳米载体可避免全身给药的脱靶毒性。相较于合成纳米颗粒，EVs具有天然表面蛋白和脂质，能有效穿越BBB，提供更好的生物相容性、稳定性和细胞摄取效率。已测试多种给药途径，包括静脉、脑室内、鼻内和口服，其中鼻内给药因非侵入性和通过嗅觉和三叉神经通路直接递送至大脑而备受关注，但可能导致脑内分布不均；脑室内注射侵入性大。需根据疾病病理和治疗目标谨慎选择给药策略。
5 干细胞在神经系统疾病中的应用
干细胞来源纳米载体，尤其是外泌体，在多种神经系统疾病中展现出显著治疗潜力。其特点包括穿透BBB的能力、高生物相容性和靶向递送适应性。EVs提供非侵入性、无细胞策略，可能有助于减轻AD的关键病理过程，并在诊断方面具有潜力。
5.1 AD
外泌体能高效递送microRNA、siRNA和抗淀粉样化合物至神经组织，帮助清除Aβ斑块。干细胞来源的外泌体具有抗炎和抗氧化作用，可转运神经营养因子，改善神经连接和认知功能。间充质干细胞（MSC）来源的EVs在实验模型中受到广泛关注。例如，鼻内递送骨髓MSC（BMSC）-EVs可减少三转基因AD小鼠的小胶质细胞激活并改善树突棘形成；3D培养BMSC来源的EVs在5XFAD小鼠中表现出认知改善、星形胶质细胞反应性降低和Aβ斑块积累减少。脂肪组织MSC来源的EVs富含神经保护和再生蛋白，鼻内给药可增加APP/PS1小鼠中与神经发生和神经突延伸相关的基因表达，并保护神经元免受Aβ
1-42寡聚体和谷氨酸诱导的毒性。神经干细胞（NSC）来源的EVs可减轻6-羟基多巴胺（6-OHDA）诱导的氧化应激、调节炎症并保护多巴胺能神经元。人牙髓干细胞来源的EVs显著改善6-OHDA引起的记忆和空间学习缺陷，运动功能改善持续至治疗后十天。尽管EVs具有神经保护潜力，但其货物的复杂性影响治疗一致性。修饰EVs携带特定生物活性分子（如microRNA）是未来方向。目前AD诊断依赖蛋白聚集检测，早期诊断困难。现有FDA批准的药物仅有六种，均无法改变疾病进程。全球AD经济负担预计到2050年将达到约1万亿美元。从患者获得的EVs表面蛋白和内容物分析可能有助于早期诊断。生物工程化EVs靶向星形胶质细胞和小胶质细胞可能减少斑块积累、神经炎症和血管功能障碍。EVs作为无细胞疗法可规避干细胞治疗的风险。计划中的临床试验对于确定纳米颗粒疗法对AD的疗效至关重要。
5.2 PD
MSC来源外泌体可递送神经保护剂保护多巴胺能神经元免受氧化应激和凋亡，帮助降解或防止α-突触核蛋白聚集，并携带抗炎细胞因子减轻神经炎症。由于BBB限制，大多数大分子药物和超过98%的小分子药物无法穿透。EVs可通过内吞途径穿过BBB。包裹过氧化氢酶（CAT）的EVs在PD模型中比游离CAT显示出更强的神经保护作用和氧化应激减少。鼻内递送可有效促进EVs进入大脑，通过鼻上皮进入体循环或直接通过嗅觉和三叉神经通路绕过BBB。Zhuang等报道荧光标记EVs在鼻内给药后30分钟广泛分布于大脑。与静脉注射相比，鼻内递送的MSC来源EVs在1小时和24小时显示更高的脑摄取。Peng等设计了一种由胶束核心（PP@Cur）和纳米壳（PR-EXO）组成的自组装纳米载体系统，整合MSC来源外泌体和姜黄素，鼻内给药可改善PD模型小鼠的运动技能和协调性，减少α-突触核蛋白积累、增强神经元性能并减少神经炎症。另一项研究表明鼻内给药后4小时内巨噬细胞来源EVs在脑组织中的积累高于静脉注射；包载过氧化氢酶的EVs鼻内给药显著减少6-OHDA诱导大鼠的小胶质细胞激活，提供实质性神经保护。
5.3 TBI
干细胞来源纳米载体提供脑源性神经营养因子（BDNF）等生长因子，辅助神经元修复，并通过外泌体调节免疫反应，共同帮助恢复TBI中受损的BBB完整性。研究者通过CAQK肽（半胱氨酸-丙氨酸-谷氨酰胺-赖氨酸四氨基酸序列）修饰EVs，使其选择性结合受伤脑区，靶向递送siRNA治疗脊髓损伤（SCI），促进靶向修复和再生。脂肪干细胞来源外泌体在体内促进周围神经再生。骨髓MSC外泌体在创伤性SCI模型中抑制胶质瘢痕形成、减少神经元死亡和炎症反应、增强轴突再生。NSC来源外泌体在半身不遂模型中增强神经组织保存和功能恢复。MSC来源外泌体通过旁分泌信号发挥作用，促进神经发生和血管生成，降低炎症。在控制性皮质撞击（CCI）模型中，BMSC来源外泌体经眶后输注显著改善神经功能，降低病变体积、凋亡和炎症，并促进小胶质细胞/巨噬细胞从促炎M1向神经保护M2极化。MSC外泌体改善空间认知和神经功能，增加血管密度、血管生成和神经发生，降低脑炎症。人MSC外泌体可减少神经炎症，改善模式分离功能和空间学习能力。miRNA在TBI后参与调节神经元死亡、血管生成、免疫炎症反应和BBB通透性。例如miR-21在TBI后3天达到峰值，与神经恢复相关；miR-124-3p促进神经突延伸。多种miRNA（如miR-21-5p、miR-216a-5p、miR-210）通过增加线粒体功能和降低脂质过氧化提供神经保护。
5.4 癫痫
外泌体疗法在减轻复发性癫痫发作相关的氧化应激和神经元损伤中发挥重要作用。通过转运调节神经元兴奋性的特定microRNA和蛋白质，可能预防癫痫复发。在耐药性癫痫中，工程化外泌体可将抗癫痫药物直接递送至大脑受影响区域。iPSC来源的神经元模型受限于微环境，研究人员使用3D类器官系统模拟早期皮层发育，用于研究Rett综合征等疾病。动物模型在癫痫研究中至关重要，但iPSCs为疾病建模和药物筛选提供了强大工具。干细胞移植在癫痫小鼠模型中减少了癫痫发作频率，有望成为非药物替代疗法。将iPSC来源的GABA能中间神经元移植到癫痫小鼠模型中，可减少癫痫活动并改善认知、情绪和攻击行为。
5.5 其他神经系统疾病
神经纤维再生对于损伤或疾病后功能恢复至关重要。周围神经系统（PNS）具有再生能力，但恢复不完全；CNS再生因内在再生能力有限、神经元凋亡、瘢痕形成、神经营养支持不足以及髓鞘相关抑制分子而失败。CNS病变包括TBI、SCI和视神经损伤（ONI）。
5.5.1 周围神经损伤（PNI）
干细胞治疗显示出潜力，但移植时机和途径影响疗效。研究表明，干细胞来源EVs可能比直接移植更有效，具有更低的免疫原性、无畸胎瘤风险、易于给药且可靶向神经系统多个部位。MSC来源外泌体可调节基因表达、抑制自噬、抗凋亡和抗炎，尤其在恢复施万细胞功能方面。一项研究证明，缺氧条件下收集的BMSC来源外泌体通过circRNANkd2/miR-214-3p/MED19通路促进施万细胞增殖和旁分泌信号，在面神经损伤（一种PNI）中发挥作用。MSC来源EVs通过调节TSG-6/NF-κB/NLRP3信号通路、施万细胞c-Jun介导过程以及恢复神经营养素-3（Neurotrophin-3）来促进神经修复。尽管体外和体内研究证实了治疗潜力，但临床转化仍困难，尚无明确成功报告。
5.5.2 脊髓损伤（SCI）
目前尚无治疗能完全再生SCI后的轴突。研究集中在炎症控制、瘢痕调节、细胞移植和生物材料方面。联合干细胞、生物材料、生长因子和药物相比单一治疗显示出更大成功。MSC来源EVs对SCI具有治疗潜力，但存在干细胞在常规培养条件下衰老、增殖能力降低以及静脉给药后靶向性差等问题。策略包括缺氧预处理以保持干细胞特性，以及工程化修饰（如携带治疗药物或膜修饰）以提高靶向性和疗效。
5.5.3 视神经损伤（ONI）
ONI导致视网膜神经节细胞（RGCs）快速退化。MSC来源外泌体（特别是携带miRNA货物）对RGC神经保护和轴突再生至关重要。抑制Argonaute 2（Ago2）可显著降低RGC神经保护和轴突再生。骨髓干细胞来源外泌体能防止视网膜神经纤维层变薄并保留功能，Ago2抑制后这些益处显著减少。miRNA调节轴突生长信号通路，例如miR-93-5p靶向PTEN并调节青光眼中NMDA诱导的RGC自噬。外泌体介导的垂体腺苷酸环化酶激活肽38（PACAP38）给药可极大改善RGC存活和轴突再生。外泌体组成因干细胞来源而异，需更好地理解其在ONI中的特定活动以最大化治疗潜力。
6 当前进展和临床前研究
针对EVs的体外和体内研究快速推进，但临床疗效需谨慎评估。目前仅有少数临床试验关注NDs中EVs的治疗和诊断潜力。NCT01860118研究PD患者血液和尿液中的EV生物标志物，结果尚未公布。NCT04388982评估同种异体脂肪来源MSC EVs在AD患者中的安全性和有效性，评估认知表现、生活质量和Aβ水平变化。NCT04040348研究MSC输注对轻中度AD患者的治疗潜力，评估认知功能、抑郁症状和ApoE、tau蛋白等血液生物标志物。NCT04575337旨在收集、检测和筛选AD多个阶段的生物标志物，以建立早期诊断和风险预测的生物标志物组合。
6.1 EV治疗中的挑战与考量
需全面评估EV疗法的长期调节、重复给药的影响和下游生物学后果。EVs在体内具有靶向组织的选择性，但其持续治疗作用仍在研究中。静脉注射荧光标记CD63的EVs在小鼠中显示快速清除，半衰期短于十分钟。EVs分泌和降解机制仍不明确，修饰可能影响其生物分布和稳定性。由于EVs的异质性，生成足够数量的均质EV群体是临床转化的关键挑战。分离方法耗时且需大量纯化。单EV测序和高灵敏度流式细胞术等进展可能改善EV表征，但仍需标准化方法和生物标志物验证。在NDs（特别是AD）中，EV疗法可能导致神经毒性或脱靶反应，需进行广泛的体外和体内测试。自体EVs在重新给药时未诱导神经毒性；PD研究中，装载多巴胺的鼠血EVs对神经母细胞瘤细胞毒性较低，且未在体内诱导显著细胞死亡。
7 干细胞在神经系统疾病中的局限性和未来展望
细胞治疗的实际应用受多个挑战阻碍。传统的二维（2D）静态培养需要劳动密集、耗时且需要临床级设施。安全性和疗效评估因细胞复杂性而困难，包括致瘤性、突变、污染和免疫激活。大规模生产细胞数量可能不足以满足需求。3D动态培养使用生物反应器可模拟体内环境，持续供给营养和氧气、清除代谢物、监测pH并施加机械应力。大型生物反应器可减少批次大小和不可预测性，但需进一步研究。iPSC来源细胞疗法需要特定培养、移植、宿主整合和遗传分析方案以降低癌症风险。免疫排斥是干细胞移植的另一限制因素，导致移植细胞被排斥。正在研究免疫抑制药物和患者特异性干细胞的策略。干细胞治疗的伦理问题包括：人胚胎干细胞（ESCs）来源涉及胚胎损害；iPSCs无此伦理问题。知情同意至关重要。医疗费用和高昂成本可能导致获取和公平性问题。安全、有效和伦理是监管的主要障碍。当前研究正在解决这些障碍，推动干细胞疗法走向临床应用。干细胞治疗与纳米颗粒结合提供了新机会。金属纳米颗粒在NDs的检测和治疗中具有巨大潜力，但目前尚无结合干细胞治疗和纳米颗粒的临床试验正在治疗NDs。超顺磁性氧化铁（SPIO）纳米颗粒（如SPIO-Ferucarbotran）具有强磁性分散矩、平衡生物特性和低毒性，可促进人MSC生长。SPIO包覆光敏氧化锌等纳米材料可增强干细胞分化。石墨烯和氧化石墨烯作为细胞培养底物，具有较大二维表面积和良好生物相容性，可维持iPSC的均匀性。未来需要更多研究理解纳米颗粒在可移植干细胞中的摄取和释放动力学。高度个性化的持续监测治疗将提高ND治疗成功率。
8 结论
干细胞纳米载体因其分化和自我更新能力，成为修复和再生受损神经细胞的有前景的替代神经疗法。多种干细胞类型，包括NSCs、诱导神经干细胞（iNSCs）、多能干细胞（PSCs）、iPSCs和MSCs，通过表达神经营养因子支持神经元生长。纳米技术的发展解决了干细胞疗法面临的致瘤性、分化控制、异质性、存活性和移植细胞追踪等挑战。纳米材料与干细胞培养协同作用，可增加NSC复制、递送功能化合物至靶位、促进NSC增殖，并实时无创追踪移植细胞迁移。然而，纳米颗粒可能产生副作用和毒性，需在临床层面评估。分子工程化纳米材料可提高传统NSC治疗NDs的有效性，实现更精确的生物货物递送和更准确的细胞追踪。整合干细胞介导的疗法、分子生物学和纳米技术可能彻底改变这些方法的有效性并解决当前问题。
