人脐带间充质干细胞联合单唾液酸神经节苷脂对创伤性脑损伤的治疗作用及其机制

Traumatic brain injury (TBI) causes primary and secondary tissue damages including loss of neurons and glia. It is critical to replenishfunctional neuralcells at the injurysite. However, it is difficult toobtain neuronal cells for clinical transplantation. Our previous studies have shownthat umbilical cord mesenchymal stem cells (UMSCs) are able to differentiateinto neuronal-like cells and expressed neuronal-specific surface markers. Monosialotetrahexosylganglioside (GM1)is aglycosphingolipid containing a sialic acid residue in neuronal cell membraneswith neuroprotective and neuroregenerative activitiesthroughneurotrophic repair mechanisms, enhancement of the production of neutrophins, and augmenting neurite outgrowth. Thus, we hypothesis that administration ofexogenous GM1inducesUMSCsto differentiate neuronal-like cells afterbeing transplanted into the injuryregions in a rat model of TBI. We will determine if GalNActransferase(β-1,4-N-acetylegalactosaminyltransferase 1) mediates GM1-induced differentiation of UMSCs to neuronal cells. In addition, our preliminary studies suggestedthat UMSCs regulated the immuneresponse. We will also determine if transplantation of UMSCssuppresses local immuneresponse in local immune microenvironment of TBI injury region. The proposed studies are highly significant because they will provide novel approaches to induce UMSCs to differentiate into neuronal cells. These findings will lead to developing new therapeutics to treat patients with TBI.

创伤性脑损伤(traumatic brain injury, TBI) 造成的原发性及继发性损伤引起大量神经细胞丧失。在损伤部位补充功能性神经细胞是至关重要的。然而，临床难以获得可供移植的神经元。单唾液酸神经节苷脂（GM1）是在神经元细胞膜中含有唾液酸残基的神经鞘糖脂，可促进神经营养蛋白的产生和神经突生长。我们前期研究表明， GM1体外可诱导脐带间充质干细胞（UMSCs）分化为神经元样细胞并表达神经元特异性表面标记。另有研究显示，GM1通过调节GalNAcT的表达促进神经干细胞分化为神经元。本研究将明确GM1诱导UMSCs分化为神经元是否遵循同一机制，并提出假说，外源性GM1可诱导植入TBI大鼠损伤部位的UMSCs分化为神经元样细胞。另外，研究显示UMSCs可调节免疫应答，于是我们将进而明确GM1联合UMSCs移植是否可抑制TBI损伤区域的免疫反应，从而进一步促进TBI大鼠功能恢复。

创伤性脑损伤（TBI）可通过直接的机械作用和继发的神经炎症导致神经细胞的死亡，进而造成患者神经功能的损伤，但目前尚缺乏有效的治疗方法，引入外源性神经细胞可能是一种有效的治疗途径。课题组前期研究发现，单唾液酸神经节苷脂（GM1）在特定的培养条件下能有效诱导脐带来源的间充质干细胞（UMSCs）分化为神经元样细胞；同时，UMSCs具有免疫调节功能，移植后可抑制局部炎性反应。由此推测，GM1 联合UMSCs 治疗可改善TBI大鼠的神经功能损伤、降低其神经炎症反应。基于上述研究基础及科学假说，在体外机制研究中，通过使用调控GalNAcT后的细胞进行诱导并检测神经细胞标志物，发现GalNAcT是介导GM1对UMSCs向神经元方向的诱导分化的关键因子。在动物实验中，对TBI大鼠进行联合治疗，通过神经系统功能评分、检测脑组织中神经炎症的相关细胞因子的表达水平，发现外源性GM1联合UMSCs治疗可改善TBI大鼠的神经功能，并且可以抑制脑损伤灶周围区域的免疫炎症反应、影响小胶质细胞的极化；同时，检测植入细胞诱导后神经元、突触标记物的表达情况，明确了GM1腹膜腔给药对体内UMSCs向神经元分化的作用。本研究揭示了外源性GM1 及UMSCs联合治疗TBI 大鼠神经功能损伤的作用和机制，为干细胞移植治疗TBI 研究提供了新的切入点。