前言
2020 年 7 月 6 日，Advanced Science (IF: 15.840) 杂志在线发表了题为“HGF Mediates Clinical-Grade Human Umbilical Cord-Derived Mesenchymal Stem Cells Improved Functional Recovery in a Senescence-Accelerated Mouse Model of Alzheimer’s Disease”的研究论文，报道了脐带间充质干细胞（hUC-MSCs）对衰老加速性阿尔兹海默症小鼠模型 SAMP8 小鼠认知能力恢复的影响。
军事科学院军事医学研究院和华南干细胞与再生医学研究中心裴雪涛教授和岳文教授为共同通讯作者，贾雅丽博士为第一作者。文章中表达谱芯片技术服务由欧易生物完成。
研究背景
干细胞已成为一系列神经损伤的潜在疗法，但它们在阿尔茨海默病（AD）中的应用仍然有限，而干细胞对认知改善的潜在机制仍有待阐明。脐带间充质干细胞（hUC-MSC）处于较早的胚胎发育阶段，分化繁殖能力强、产量也相对较高，且没有道德问题并能分泌多种多功能因子，因此 hUC-MSCs 被认为是临床应用的更好选择之一。
研究内容
本研究探讨 hUC-MSCs 对 AD 衰老加速模型 SAMP8 小鼠认知能力恢复的影响。在AD细胞模型中，hUC-MSCs分泌的核心功能因子 HGF（肝细胞生长因子）通过下调 tau 蛋白磷酸化水平、逆转脊柱丢失、增强突触可塑性，在 hUC-MSC 调控受损神经细胞的恢复中发挥关键作用。hUC-MSC 接触导致的结构和功能恢复以及认知改善，部分是由 AD 海马区 HGF 通过激活 cMet-AKT-GSK3β 信号通路介导的。综上所述，本研究揭示了 HGF 介导了 hUC-MSC 诱导的 AD 模型功能恢复的改善。
研究结果
1. hUC-MSCs 改善了 SAMP8 小鼠的空间学习能力和记忆力
将 hUC-MSCs 移植到 AD 衰老加速模型 SAMP8 小鼠体内，行为学测试结果显示，与对照相比，hUC-MSCs 移植显著改善了小鼠的空间学习能力和记忆力。
图片说明：hUC-MSC 改善了 SAMP8 小鼠的空间学习和记忆能力
2. hUC-MSCs 调节 AD 小鼠 AD 相关关键蛋白的表达和内源性神经再生
针对小鼠海马和大脑皮层的免疫组化和 WB 分析显示，在 MSC 处理组中 AD 相关的蛋白（p-Tau、BACE1、Pgsk3β、β-APP、PS1）表达水平均显著降低。
前期研究表明，增强内源性神经发生和神经可塑性可以逆转认知障碍。免疫组化和 WB 也显示，小鼠海马 NSC 暴露于 hUC-MSCs 会导致体外增殖增加，激活内源性神经发生，减轻神经元损伤，有利于海马神经网络的稳定。
图片说明：hUC-MSCs 调节 AD 相关关键蛋白的表达并改善 SAMP8 小鼠大脑中的内源性神经再生
3. hUC-MSCs 在体外 AD 细胞模式下恢复冈田酸诱导的神经细胞损伤
利用冈田酸（OA）诱导的 AD tau 细胞模型，分析了hUC-MSCs 诱导后的细胞形态、线粒体功能、细胞活力、亚细胞结构和 tau 蛋白磷酸化水平。结果表明，在体外 AD 细胞模型中，hUC-MSCs 能有效地恢复和挽救 OA 诱导的神经细胞损伤。
图片说明：hUC-MSCs 在体外 AD 细胞模型中恢复和挽救了 OA 诱导的神经细胞损伤
4. hUC-MSCs 分泌的 HGF 挽救了 OA 诱导的神经损伤 AD 细胞模型
以上体内外实验表明 hUC-MSCs 在 AD 模型中的作用，接下来重点研究其具体的作用机制。利用细胞因子芯片进行了筛选，结果显示，18 个细胞因子显著高表达，其中 IL-6、HGF、ANG、GRO 可能参与神经损伤修复。OA 诱导的体外损伤模型测试表明，只有 HGF 可以显著修复受损的原代神经元。IL-6 也有一定的修复能力。
激光共聚焦显微镜检测显示，HGF 处理 OA 诱导的体外原代神经元，细胞骨架分支数量明显增加、树突棘长度恢复明显、线粒体膜电位水平 MMP 也恢复到正常水平；同时，如果加入 HGF 中和抗体，HGF 对神经元的修复作用受到抑制。这些结果表明 HGF 可以有效恢复和挽救 OA 对体外 AD 细胞模型神经元的损伤。
图片说明：hUC-MSCs 分泌的 HGF 在体外 AD 细胞模型中恢复和挽救了 OA 诱导的神经细胞损伤
5. HGF 改善了 SAMP8 小鼠的认知功能，并调节了 AD 相关关键蛋白的表达
为了证明 HGF 是否能改善 AD 小鼠的认知功能，对 SAMP8 小鼠利用 HGF 进行处理。行为学测试结果表明，HGF 处理的 AD 小鼠的空间学习能力和记忆力显著改善，同时 HGF 显著增强了 SAMP8 小鼠海马突触的可塑性。同时与对照相比，HGF 可以显著改善神经元纠缠、降低 tau 蛋白磷酸化水平。
图片说明：HGF 改善了 SAMP8 小鼠的空间学习和记忆能力
6. 抑制 HGF 分泌可以减弱 hUC-MSCs 对 SAMP8 小鼠空间学习和记忆能力的改善
利用 HGF 缺陷的 hUC-MSCsshHGF 移植 SAMP8 小鼠，行为学测试结果显示，hUC-MSCs 移植可以改善 AD 小鼠的认知功能，但抑制了 hUC-MSCs 的 HGF 分泌后则会导致 AD 小鼠认知功能改善的减弱，这表明 HGF 在介导 hUC-MSCs 对 SAMP8 小鼠认知缺陷修复中起到了关键作用。
图片说明：抑制 HGF 分泌可以减弱 hUC-MSCs 对 SAMP8 小鼠空间学习和记忆能力的改善
7. HGF 介导 hUC-MSCs 通过激活 cMet-AKT-GSK3β 调节 tau 蛋白磷酸化
为进一步探究 HGF 作用机制，利用抗体阻断了 HGF 受体 cMet，结果显示添加抗体后 HGF 对于神经元损伤的修复能力受到显著抑制，这表明 cMet 作为 HGF 受体介导了 HGF 对神经损伤的修复。
图片说明：cMet 介导了 HGF 对神经损伤的修复
利用表达谱芯片，对不同处理的 SAMP8 小鼠海马组织进行检测，共筛选到 19 个基因在不同处理间存在差异表达（FC > 1.5）。KEGG 富集分析显示，多个信号通路发生了富集，其中 PI3K-AKT 通路富集到了最多的基因。免疫印记实验显示，OA 诱导的细胞模型中，PI3K-AKT 通路上多个蛋白（包括 p-AKT、p-GSK3β）表达水平显著下降，而 HGF 处理可以逆转这些蛋白的表达水平，同时 cMet 抗体的添加又可以减弱 HGF 的逆转作用。
OA 组中 tau 蛋白磷酸化水平显著升高，添加 HGF 之后 可以显著降低 tau 蛋白磷酸化水平，同时 cMet 抗体的添加又可以减弱 HGF 的作用。
图片说明：HGF-cMet-AKT-GSK3β 轴调控 tau 的磷酸化水平
研究结论
本研究首次使用 SAMP8 小鼠模型来进行 hUC-MSCs 对认知功能改善机制的研究。hUC-MSCs 通过分泌功能因子 HGF，下调 tau 蛋白磷酸化水平，改善神经元纠缠，逆转脊柱丢失，促进 AD 小鼠海马突触可塑性，在 hUC-MSCs 调节受损神经细胞恢复过程中发挥重要作用。具体机制上，hUC-MSC 接触导致的结构和功能恢复以及认知改善，部分是由 AD 海马区 HGF 通过激活 cMet-AKT-GSK3β 信号通路介导的。因此，文章推测，hUC-MSC 治疗有望作为预防 AD 和其他年龄相关的神经退行性疾病的一个有效的手段，HGF 单独或联合 hUC-MSCs 有望用于 AD 的临床治疗。
参考文献
Jia Y, Cao N, Zhai J, et al. HGF Mediates Clinical‐Grade Human Umbilical Cord‐Derived Mesenchymal Stem Cells Improved Functional Recovery in a Senescence‐Accelerated Mouse Model of Alzheimer's Disease. Adv Sci 2020; doi: 10.1002/advs.201903809.
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