詹姆斯·E·鲍姆加特纳
琳达·鲍姆加特纳
迈克尔·鲍姆加特纳
欧内斯特·J·摩尔
史蒂文·墨西拿
迈克尔·塞德曼
大卫·舒克
抽象尽管细胞疗法在替换受损细胞和修复受损组织方面具有非凡的前景，但细胞替代并不是这些疗法可达到治疗效果的唯一手段。例如，最近的出版物表明，用各种成年的多能干细胞进行治疗可以改善神经系统疾病（如颅脑外伤和听力丧失）患者的预后，而无需直接替换受损或丢失的细胞。由于免疫系统在损伤反应和组织修复中起着核心作用，因此我们在此建议，多能干细胞疗法可通过改变对损伤的免疫反应来达到治疗效果，从而限制炎症引起的损伤并可能促进修复。这些发现要求对细胞疗法可以使患者受益的机制有更广泛的了解。
重要性声明祖细胞疗法是中枢神经系统损伤的一种未被充分认识和利用不足的疗法。在本研究中，作者比较了这种治疗在严重小儿外伤性脑损伤的急性后果和获得性感觉神经性听力损失中的使用。作者的目的是证明在急性和亚急性环境中，祖细胞治疗的免疫调节作用可以减少这些损伤的继发作用。此外，这里提供的数据表明修复机制可能会被祖细胞处理所掩盖。这种修复可以恢复长久以来被认为是有丝分裂后和无法修复的组织中失去的功能。
1引言这篇综述将首先考虑两种没有明显相似性的神经系统疾病：脑外伤（TBI）和感觉神经性听力损失（SNHL），并特别注意免疫系统在每种疾病中的作用。接下来，它将审查实验室和临床研究结果，这些结果显示在用同种异体或自体干细胞（包括间充质祖细胞（MPC））（一系列非造血，中胚层谱系，多能干细胞）治疗后，TBI和SNHL的预后得到改善。1最后，它将评估可能的作用机制，重点是MPC的免疫调节特性。
1.1儿科TBITBI是儿童死亡和残疾的最重要原因。在美国，每年约有名0-14岁的儿童维持TBI。在这名需要住院治疗的人中，有近人因受伤而死亡。TBI后男孩住院的频率高于女孩。4岁以下儿童的TBI死亡率高于5-14岁儿童的TBI死亡率，这可能反映了与非偶然（滥用）相关的TBI的贡献。2-5
TBI是一种灾难性的侮辱，会引发一系列的局部和全身效应。传统上，TBI分为主要伤害（头部撞到人行道）和次要伤害，后者是对主要伤害的反应。原发性损伤是指大脑组织和血管的撕裂以及其他直接的机械损伤，而继发性损伤是一个持续的过程，持续数月，在此过程中，脑细胞逐渐丢失，脑容量减少。
在儿童中管理TBI的挑战加剧了一个事实，即机制，伤害类型和表现均取决于年龄。发育中的头骨，大脑，颈椎和面部的特定年龄特征使儿童容易受到伤害，这与成人TBI患者不同。这些差异体现在原发性和继发性损伤中。5
许多解剖和发育因素会影响儿童的原发性损伤。这样的因素之一是正在发育的头骨的结构。与成人头骨相比，小儿头骨的刚性较小，变形较大。另外，在年幼的儿童中颅骨缝线是“开放的”，从而允许额外的颅骨运动响应机械应力。6，7儿科头骨的可变形性较高的可允许的大脑皮质容器和覆盖颅骨之间的剪切力。当非偶然的TBI包括晃动时，这尤其可能。
此外，因为与他们各自身体的整体大小相比，儿童的头要比成人的头大，所以在创伤事件中儿童的头更容易受到伤害。8头骨和面部骨骼的发育也起保护作用。在较大的儿童中，额窦和面骨更为突出，可以吸收额头撞击产生的能量，从而保护下方的脑组织。5-8
发育中的大脑的不断变化的特征也起作用。在新生儿中，大脑的髓鞘较差，含水量相对较高。随着大脑的发展，它变得更加有髓并且相对更密集。髓鞘化遵循程序化的模式，在颅脑和后前方向均进展。少髓的大脑比有髓的大脑更容易受到外伤的伤害。8
影响儿童TBI的另一个因素是颈部和脊柱的相对无力。在婴儿中，颈椎是软骨状的，并且随着发育而逐渐进行骨化。头部相对于成年患者而言更大且更重。颈部肌肉较弱，颅骨-颈椎稳定性更多地取决于韧带和软组织而不是椎骨。在年龄较小的儿童中，颈椎骨折的水平（C2）比年龄较大的患者（C3-C7）更高。7，9在严重创伤的情况下，韧带可能会失败，导致枕颈分离（颅骨与颈椎分离），从而直接损伤颈髓交界处以及颈动脉和椎动脉。这种所谓的“枕颈分离”在儿童中比在青少年和成人中更为常见。10
小儿TBI由于儿童血容量较小而更加复杂。颈部和面部的头皮和软组织的血管很旺盛。因为儿童的血容量比青少年或成人患者的血容量小，所以儿童的失血耐受性较差。在新生儿，学步儿和婴儿中，头皮下或颅内出血（即使没有明显的外部出血）也可能导致明显的血液动力学不稳定。头皮或其他软组织受伤引起的外部出血会迅速威胁儿童的生命。
这些和其他因素在发育过程中的相互作用导致了以下年龄依赖性的TBI模式：新生儿可能会遭受与分娩有关的伤害，包括颅骨穹v骨折，颅内，骨膜下和galgaleal出血。婴儿经常是意外TBI，摔倒和机动车事故的受害者。幼儿和学童通常最容易从摔倒或机动车事故中遇到意外的TBI。青少年还会因机动车事故，跌倒，运动相关的伤害以及自行车和摩托车相关的伤害而经历TBI。4
一旦发生上述原发性伤害，便会发展成继发性伤害。由于原发性伤害的发生是无法预测的，并且尚无修复疗法，因此TBI治疗的重点在于最大程度地减少继发性伤害的影响。在急性期，治疗的重点是维持足够的脑灌注和维持正常的颅内压（ICP）。排空了严重的颅内出血，并寻求颅内压的医疗管理。其他非中枢神经系统的外伤也必须解决。部分由暂时性破坏血脑屏障（BBB）引起的脑水肿是继发性损伤管理的主要挑战。如果可以控制ICP并保持足够的脑灌注，则患者可以存活。不幸，
继发性损伤的影响会随着时间的推移而发展，最显着的表现是总体脑容量的减少。随访神经影像检查显示出TBI后的体积减少。基于MRI的小儿TBI患者受伤前后的体积研究表明，与年龄相匹配的对照组相比，受伤后1年时，全脑，灰质，白质的损失与相应的CSF量增加有关。10，11由Sideros的一项研究显示在8周后的损伤灰质和白质9％损失在整个脑体积额外的4％的损失在随后的10个月。12Ding的一项类似研究显示，TBI后6个月，全脑体积损失了8％-13％。13与年龄相匹配的对照组相比，小儿患者在TBI后call体失去了体积和结构完整性。14，15全球和胼胝体体积损失与穷人的神经认知结果相关。16这种体积损失被认为是由TBI后免疫反应介导的进行性组织病理学损害的结果。17
由于中枢神经系统发育状态的快速变化和创伤的年龄依赖性机制不同，因此儿科TBI的损伤范围极为不同。现有的分类方案格拉斯哥昏迷量表（GCS）和格拉斯哥结果评分（GOS）并非旨在捕获这种伤害的复杂性。此外，评估TBI结局的研究通常不包括损伤前基线评估。鉴于脑容量减少的一致性和生理意义，我们将认为脑容量的变化是评估TBI结果的有用替代指标。
1.2小儿SNHL与TBI相比，SNHL损伤更严重，主要影响耳蜗功能。SNHL可导致广泛的神经发育变化。典型的语言发展需要正常或接近正常的听力。使用SNHL，Corti器官的受损毛细胞会干扰正常的听力，因此可能会损害语言发展。未经治疗的SNHL在患病儿童中引起重大的神经认知问题。18
SNHL是一种永久性的感觉障碍，全世界有2.7亿人受其影响。SNHL的发生率从新生儿的2-4/增加到3-17岁的儿童的5-8/，占65-74岁的成年人的33％。19，20
SNHL的病因病理是Corti器官中的毛细胞丢失。内，外和结构性毛细胞是听力所必需的。来自中耳的声波被转换为电脉冲，通过螺旋神经节和第八颅神经传递到大脑。毛细胞的损失会减少大脑的听觉输入。随着足够的毛细胞损失，听力障碍发展。遗传变异和环境侮辱均可导致毛细胞受损。在婴儿和儿童中，SNHL的23％-50％是基因突变的结果（Connexin26突变，Usher综合征，Waardenburg综合征，线粒体疾病等）。21-25其余婴儿和儿童已获得SNHL，这被认为是由于感染（子宫内或产后），早产以及暴露于噪音或耳*性药物引起的。26使这一挑战更为复杂的事实是，Corti器官在出生时在哺乳动物中是有丝分裂的，此后不会发生自发的毛细胞置换。目前尚无SNHL的再生疗法，现有的疗法（助听器和人工耳蜗）旨在增强Corti的受损器官。18
1.3听力损失与听觉发展可以学习口语，其发展取决于环境刺激和人类听觉皮层的天生能力。由于神经可塑性，皮层能够学习第一语言的时间是有限的。18，27神经可塑性是指所造成的成熟和发展，感觉剥夺，伤害，疾病，功能障碍和学习的神经连接，路径和网络的变化。28尽管终生存在一定程度的神经可塑性，但在早期发育过程中神经元群体最容易根据输入来调节功能时，它尤其强大。学习的这一重要时期，称为关键时期，大约在42个月大时结束。在关键时期，大脑可以轻松响应环境输入而重新布线。关键时期结束后，神经可塑性显着降低。18，27
听觉发展对关键时期特别敏感。听觉学习的最早阶段发生在子宫29形成突触，并且网络迅速加强。30在大约4岁时，听觉皮层经历了快速修剪阶段，在此期间，未使用的神经元和突触被消除。31，32在正常的听力儿童中，这种修剪从根本上改变了听觉皮层，并提高了语言效率。在未扩大的SNHL儿童中，修剪异常会导致无法处理听觉输入和发展口头语言。如果在皮层可塑性的最佳早期阶段没有提供足够的听觉刺激，即使在孩子成长后，也会观察到口语的缺陷。33，34皮层听觉诱发电位（CAEP）的P1成分的潜伏率是听觉皮质成熟的成熟生物标志物。CAEP的P1成分显示了与年龄相关的潜伏期缩短，这意味着在没有听力损失的儿童中，电脉冲从耳蜗到大脑的传导速度更快。Sharma和Dorman在他们的名先天性耳聋儿童系列中发现，在接受3.5岁以下人工耳蜗植入的儿童中，P1CAEP的潜伏期改善到正常范围内。即使在使用了几年的人工耳蜗后，7岁以后接受人工耳蜗植入的儿童仍然具有异常的P1CAEP反应。植入3.5至7岁的儿童的听觉皮质发育不同，35当测量不同年龄植入的儿童的言语和语言技能发展结局时，据报道，较小的植入年龄会显着改善结局。36，37改进的结果是口头语言发展尤其如此。18，38
如果在关键时期内及时通过助听器或人工耳蜗向患有SNHL的儿童提供听觉通路，则听觉发育和语言习得可能会在正常或正常情况下发生。相反，当儿童经历长时间的听觉剥夺时，可能会导致负责言语和语言感知的听觉皮层区域大规模重组。39听觉剥夺的重组结果可能导致听觉皮层区域被征募以用于视觉和触觉输入。38，39听觉皮层的任务特定重组已在失聪的猫中得到证实。在他们将SNHL猫与正常听力猫进行比较的研究中，Meredith和Lomber证明，支持正常猫的听觉定位的听觉皮层的不同区域支持SNHL猫的周围视觉定位和视觉运动。18，40
与TBI儿童相比，获得性SNHL儿童的治疗人群更为一致。现有的听力学和语音语言测试可提供定量评估，以经过验证的适合年龄的方式测量耳蜗和语言功能。评估获得的SNHL治疗的研究也受益于获得全面的预处理评估的可能性。41
1.4中枢神经系统免疫反应免疫系统与周围组织的免疫系统有很大的不同，以至于中枢神经系统通常被称为“免疫特权”。42，43的BBB允许循环白细胞进入CNS的数量相对较少。在静止状态下，CNS内的免疫功能主要由小胶质细胞和星形胶质细胞执行。在TBI之后，免疫系统会经历快速且特征明确的反应。由于McKee和Lukens最近对免疫系统在TBI中的作用进行了评估，[44]这篇综述将集中在与祖细胞治疗最相关的方面。
免疫系统在TBI和SNHL中均起着核心作用。通常，TBI后的神经炎症反应会引发先天性免疫系统和适应性免疫系统之间的复杂相互作用。TBI后，由神经胶质细胞，神经元和内皮细胞之间复杂的相互作用所组成并协调的血脑屏障被机械性损伤和脑水肿分解。45-48的损害BBB促进免疫细胞进入脑损伤，并迁移到损伤部位。49受伤后不久，常驻小胶质细胞被激活，嗜中性粒细胞和先天免疫系统的其他细胞浸润病变。接下来，源自循环单核细胞，淋巴细胞和适应性免疫系统其他细胞的巨噬细胞到达损伤部位。[45]细胞死亡导致释放称为损伤和病原体相关分子模式（DAMP和PAMP）的细胞内分子，尽管这种作用在非编程形式的细胞死亡（如坏死）中更为明显。45，50这些分子的释放激活先天免疫系统发起的炎症和随后的适应性免疫系统。51-53急性免疫反应后，小胶质细胞可恢复至正常的未激活状态，或在受到足够的炎症损害后变为慢性激活。45
在短期内，免疫细胞在控制和减轻病变造成的损害中起着重要作用。实时成像研究表明，小胶质细胞过程具有很高的动态性和运动性，可以持续扫描和监视附近的细胞和局部微环境。在对急性损伤的反应中，小胶质细胞过程迅速定位在损伤部位，显然起到隔离损伤的作用。54小胶质细胞和其他免疫细胞（如中性粒细胞）是强吞噬细胞，可迅速吞噬并降解细胞碎片和受损细胞。大量的动物模型研究表明，小胶质细胞吞噬作用有助于限制DAMPs和其他促炎性信号或其他有问题信号的传播。例如，在体内斑马鱼模型中，TBI后不久，碎片和死细胞的小胶质细胞吞噬作用显示出神经保护作用，因为阻断小胶质细胞吞噬作用会增加兴奋性*性和神经元细胞死亡。55有体内证据表明，小胶质细胞和巨噬细胞的代谢在中枢神经系统损伤的病理生理中起作用。促炎性巨噬细胞和小胶质细胞将糖酵解中间体重新导向戊糖磷酸途径（PPP）的氧化相，通过产生NADPH和NADPH氧化酶产生活性氧（ROS）。56，57抗炎巨噬细胞使用PPP的非氧化阶段，以提供氧化还原谷胱甘肽的支持和其它细胞的抗氧化剂。57，58TBI后，巨噬细胞特异性氮氧化物（NOx）活性（NOX2）在小胶质细胞和巨噬细胞响应于损伤增加。57，59-65NOX活性增加伴随着小胶质细胞和巨噬细胞中ROS的产生增加，而NOX抑制可改善TBI和脊髓损伤后的预后。57，60-65在TBI，NOX2抑制促炎减少巨噬细胞/小胶质细胞活化体内。60，63，66，67在偏振观察到的变化与NOX2抑制牵累改变的代谢和PPP的促炎细胞巨噬细胞/小胶质细胞活化以下神经外伤氧化阶段相关联。57
在TBI的继发性损伤阶段，慢性炎症可能在脑容量的丧失中起关键作用。观察到中枢神经系统炎症在TBI后持续多年。68-70此外，免疫细胞出现在TBI和TBI般的条件，在神经元细胞死亡的作用。在TBI小鼠模型中，嗜中性粒细胞的消耗也显示出减轻神经元凋亡和神经元组织损失的作用。71在小鼠，大鼠和细胞培养系统中进行的实验室研究表明，小胶质细胞可导致大量的神经元因炎症，局部缺血和兴奋性*性而丢失。72-74当受到压力时，神经元表现出早期的凋亡标记，例如在细胞膜的外部小叶上显示出磷脂酰丝氨酸。最近的许多研究表明，这些早期凋亡标记物实际上是可逆的，神经元可以从亚致死性损伤中恢复。有趣的是，这些应激标记物还充当吞噬细胞信号，导致应激或凋亡细胞被小胶质细胞吞噬和降解。因此，已显示小胶质细胞吞噬并杀死受压力但非凋亡的神经元。75这种吞噬作用依赖性细胞死亡的形式被称为“吞噬作用”。一系列的损伤表明，阻断吞噬作用和吞噬作用可以保护神经元。72-74实验证据表明，以这种方式保存神经元还可以改善损伤后的神经功能。例如，在局部缺血的小鼠模型中阻断吞噬作用导致损伤后运动功能的改善。75因此，这表明小胶质细胞吞没并杀死了许多仍在起作用的神经元。因此，未解决的炎症可能导致TBI后脑容量的持续丧失。
使我们对这一过程的理解更加复杂的是在发育中的大脑中发现了小胶质细胞定植，成熟和功能方面的性别差异。这种小胶质性二态性可能导致男性和女性TBI患者的预后差异。76-80最近非实质脑的巨噬细胞（NPBMs）与驻地小胶质细胞沿着已经被确定为脑的居民骨髓系细胞。两种细胞类型在早期胚胎发育过程中均具有从卵*囊发育的独特的个体发育起源。NPBM遍布血管周围空间，脉络丛和脑膜，是与入侵细胞或病原体相互作用的首批大脑免疫细胞。78小胶质细胞代表具有大脑区域特定表型的功能多样且复杂的细胞，需要维持局部提示。小胶质细胞的解剖学，膜特性，溶酶体含量和转录组谱在大脑各区域之间显着不同。79-82所以CNS免疫反应TBI的机制-的损伤，发育年龄，伤病和性别进行治疗人群的任何研究得不得了不同的解剖部位而异。
1.5耳蜗免疫反应耳蜗受到血迷宫屏障（BLB）的保护，该结构类似于但不如BBB。BLB是血管纹状体内高度专业化的毛细血管网络，可控制耳蜗间隙和血液之间的交换。保持适当的耳蜗功能和听力环境至关重要。BLB由内皮细胞，精细的紧密连接和粘附连接，周细胞，基底膜和血管周常性巨噬细胞样黑素细胞（PVMLM）组成。83，84响应于急性声致损伤，存在于内皮BLB紧密连接的完整性和单核细胞的增加的渗入越过BLB耳蜗的降低。83，84
暴露于耳*性药物或过度噪音引起的耳朵上皮表面的免疫反应不是对病原体的反应，因此被称为“无菌炎症”。83-85的响应是正比于由耳蜗，较轻损伤产生较不积极的免疫应答和在听力较不严重降低经历听觉损伤的程度。听觉创伤后听力损失的标志是暂时或永久性阈值移位（TTS或PTS），其中需要更高的声音强度才能实现耳蜗的激活和听力。轻度的听觉创伤会诱发TTS，其中耳蜗短暂经历阈值变化，该阈值变化在受伤后数小时至数周内恢复正常。85在TTS中，螺旋神经节的毛细胞和神经元之间的带状突触可能受损。86，87这synaptopathy可以向神经变性螺旋神经节和听力损失。耳蜗巨噬细胞似乎对TTS中的螺旋神经节神经元起保护作用，并可能促进损伤后的丝带突触修复。88，89更显著声创伤导致更具攻击性的免疫应答和严重的不可逆的PTS和不可逆的听力损失。85最近的研究表明，一般而言，免疫反应和巨噬细胞激活方面都存在差异，尤其是这两种形式的无菌炎症。90-98
巨噬细胞约占人工耳蜗组织中造血细胞的80％，是人工耳蜗中的主要免疫细胞群。90-96许多研究已经表明，耳蜗巨噬细胞群体在以下来响应信号声伤害科尔蒂和螺旋神经节的器官膨胀。83，84，90，92，94-耳蜗巨噬细胞被分为两群：（一）“生化的巨噬细胞”结缔组织中发现，神经元和支持细胞经常定位到血管周围空间和（b）的巨噬细胞从单核细胞招募响应受损和垂死的毛细胞而在血液中循环。就像大脑中的小胶质细胞一样，在耳蜗中似乎有亚耳“居住的巨噬细胞”亚群，它们具有不同的位点特异性特征。这些包括骨性螺旋椎板巨噬细胞（与螺旋神经节密切相关），基底膜巨噬细胞（紧邻耳蜗感觉细胞），腔表面，sc鳞片巨噬细胞和侧壁巨噬细胞。92受损细胞释放可激活模式识别受体（PRR）的DAMP。PRR激活迅速引起常驻巨噬细胞激活，促炎性细胞因子释放和活性氧（ROS）产生，从而导致免疫细胞浸润和受损细胞凋亡。-听觉损伤后，细胞因子（TNF-α，IL-1β和II-6）释放，然后趋化因子释放（CXCL12，CCL2和CCL4）释放，然后活化常驻巨噬细胞并从血液中浸润单核细胞。87，-在此过程中，与控制血管渗透性和收缩以来，PVMLM还用作抗原呈递细胞。人工耳蜗周细胞在控制BLB中的血流方面也很活跃，并且有助于维持紧密的连接并参与人工耳蜗的免疫反应。
除了直接损坏感觉毛细胞外，声损伤还破坏了血流，血管纹中的BLB形成了缺血和缺氧的环境。血液中的单核细胞/巨噬细胞被吸引并在修复受损的血管纹层微血管以及从噪声引起的听力损失中恢复中起关键作用。
总之，TBI和SHNL都会影响大量的儿科患者。与TBI相关的中枢神经系统损伤的分布和严重程度是可变的，并且取决于年龄。TBI可影响运动，感觉，记忆，视力和更高的认知功能。在SHNL中，损伤局限于Corti器官的毛细胞。通过减少听觉访问，SNHL会对语言发展和交流产生不利影响。两种情况都会对学校的表现产生不利影响。两种损伤均引起免疫反应，对患者的康复产生不利影响。当前，不存在任何修复方法，并且当前的管理方法主要是支持性的。正如我们将在下面讨论的那样，细胞疗法可能会减弱TBI/SNHL后免疫反应的伤害作用，并允许修复受损的组织。
1.6支持TBI和SNHL的祖细胞治疗的临床前数据由于TBI和SNHL造成的损害是永久性的，因此研究人员对修复疗法产生了兴趣，其中一种有希望的途径是细胞疗法。使用祖细胞或干细胞治疗TBI和其他中枢神经系统损伤的生物学原理分为两种方法：神经细胞或支持细胞置换或免疫/抗炎/旁分泌反应的改变。在年代末期和年代初，许多研究者提出“转分化”的概念作为利用造血祖细胞实现神经和支持细胞替代的机制。-尽管在临床前的TBI和SNHL研究中使用祖细胞治疗获得了积极的结果，但是转分化并不能作为解释观察到的改善的解释。抗炎/旁分泌/免疫应答的修饰目前已受到该领域研究人员的更多