间充质干细胞的自噬在其治疗脊髓损伤中的作用和分子机制研究

Spinal cord injury (SCI), a common clinical illness with high morbidity, causes an overwhelming burden individually and socially, and even worse, there is no well-established treatment for the trauma. Our preliminary studies showed that administration of mesenchymal stem cells (MSC) displayed somewhat effects, and still better if MSC were cultured with lower concentration of FBS, on improving SCI. Further research indicated that it was caused by starvation-induced autophagy, but the underlying mechanism remains to be clarified. Therefore,our study aims to study the influence on proliferation/apoptosis, migration, differentiation, secretion of neuronal growth factor, and immune regulation by autophagy through modifying autophagy in MSC. We also construct the rat animal model of spinal cord injury, on which we test the regulation of MSC by autophagy on the therapeutic effects on spinal cord and the mechanism. A further step will be rendered to confirm the mechanism by administration of autophagy inducers or specific signaling inhibitors. Thus, the project elucidates the impact of autophagy on biological behaviors of MSC and the underlying mechanism for regulation of its therapeutic effects on SCI, and helps us to manipulate the treatment of SCI. Hopefully the project provides a new perspective on MSC for therapeutic applications through modifying autophagy.

脊髓损伤是临床常见的危重病，但目前缺乏有效的治疗方法。我们前期的研究表明，输注间充质干细胞（MSC）对脊髓损伤有一定的治疗作用，如果输注低血清培养的MSC可增强其对脊髓损伤的治疗效果。进一步研究表明，饥饿诱导的自噬增强了MSC治疗脊髓损伤的效应，但其机制未明。因此，本项目拟构建自噬增强/抑制的MSC，研究自噬作用对MSC的增殖/凋亡、迁移、分化、神经营养因子的分泌、免疫调节等生物学行为的影响及其信号转导改变；建立大鼠脊髓损伤模型，通过将自噬增强/抑制的MSC应用于脊髓损伤的治疗，研究MSC的自噬对其治疗脊髓损伤的影响和相应机制；进一步通过药物干预MSC的自噬及其相关信号通路证实自噬调控MSC治疗脊髓损伤的机制，从而在细胞、分子和动物水平上揭示自噬作用对MSC的生物学行为的影响以及调控其治疗脊髓损伤的分子机制，以期为脊髓损伤的干细胞移植治疗提供新思路和试验依据。

背景：目前脊髓损伤spinal cord injury（SCI）发生率增高，给家庭和社会造成严重负担，但目前缺乏有效的治疗方法。间充质干细胞mesenchymal stem cells （MSCs）对脊髓损伤有一定修复效果。细胞自噬是一个细胞吞噬病变成分，促进细胞成分循环的过程，自噬在细胞内环境稳态和细胞存活方面起着重要作用。然而，调整自噬程度是否会改变MSCs在促进脊髓损伤修复过程中的效果仍不清楚。本项目构建自噬增强/抑制的MSCs，研究自噬作用对MSCs的增殖/凋亡、迁移、分化、神经营养因子的分泌、免疫调节等生物学行为的影响及其信号转导改变；建立大鼠脊髓损伤模型，通过将自噬增强/抑制的MSCs应用于脊髓损伤的治疗，研究MSCs的自噬对其治疗脊髓损伤的影响和相应机制。方法：在本部分研究中，我们使用表达shRNA的病毒转染MSCs以敲减Becn-1基因抑制MSCs的自噬。同时在另外的MSCs中通过饥饿的方式或应用自噬增强药物如rapamycin诱导MSCs的自噬。随后将这两类MSCs用于大鼠SCI修复，观察它们的修复效果是否不同。结果：研究显示，自噬诱导后的MSCs，细胞浆中存在大量的LC3阳性自噬体。使用SPIO能有效示踪间充质干细胞MSCs。体内移植4周后，对大鼠进行修复效果的检测，修复效果的检测包括功能恢复，免疫组化分析和髓鞘再生的分析等。细胞、分子和动物水平上的研究揭示体外诱导MSCs自噬再植入体内能更有效地促进脊髓损伤后功能的恢复。经自噬诱导的MSCs能分泌神经营养因子（NFs）、抑制炎性反应。实验各组再生结果显示间充质干细胞经自噬诱导后能有效促进轴突再生、血清素能神经纤维生长，促进新生血管形成并提高神经纤维的再髓鞘化。所有这些方面都有助于脊髓损伤的修复。结论：本项目研究提示MSCs经自噬诱导后能显著提高MSCs在脊髓损伤修复中的作用，揭示了自噬作用对MSCs的生物学行为的影响以及调控其治疗脊髓损伤的机制，从而为MSCs的应用提供了一个新的策略。