周産期虚血性脳卒中に対する間葉系幹細胞と細胞外小胞の治療可能性

周産期の虚血性脳卒中は脳の血流の崩壊として定義されます。
在胎期間20週から生後28日の間に生じるとされています(2)1。
周産期動脈虚血性脳卒中、
Perinatal arterial ischemic stroke(PAIS)。
これの発生は
おおよそ10万人当たり10～29人であるとされています(3-5)。
いくつかのリスク因子があります。
〇男性
〇絨毛羊膜炎
〇多胎出産
〇早産
〇低体重など小さい
これらです(6,7)。
周産期動脈虚血性脳卒中を持つ新生児は
生まれてから初日に発作を度々引き起こすことがあります。
低血圧、昏睡、無呼吸などを伴う事があるかもしれません(8)。
全体として胎児の脳卒中の臨床結果は不良で
ほとんどの患児は生涯にわたる神経性の障がいに
発展すると言われています(8)。
周産期動脈虚血性脳卒中を持つ幼児の50-70%は
運動性などを含む神経発達の異常があります。
〇脳性まひ
〇認知機能障がい
〇行動障がい
〇てんかん
これらの症状も含みます(8)。
現時点での周産期動脈虚血性脳卒中の治療は
低血糖や発作をコントロールするなど
対症療法のみに限られています(1)。
症状に対するケアであり
脳卒中自身の治癒ではないため
最終的には根治や後遺症をなくすために
周産期動脈虚血性脳卒中の
付加的な治療戦略の開発が急務です。
-
間葉系幹細胞、
Mesenchymal stem cells (MSCs)。
これは新手の有望な治療媒体であるとされています。
それが、動物実験で示されています(1)。
この間葉系幹細胞は
損傷を負った脳に対して
〇免疫調節
〇再生機能
〇血管再生
これらを持つことが考えられます(9)。
臨床前試験として間葉系幹細胞を治療がいくつかが
試されています。
周産期動脈虚血性脳卒中以外には
気管支肺異形成症を持つ新生児に試されています。
この気管支肺異形成症に対する系統的総括では
間葉系幹細胞の治療が最も効果的である
と評価されています(10,11)。
それに加えて
低酸素性虚血性脳症や脳室内出血において
間葉系幹細胞は神経行動的臨床結果において
向上が見られたことが報告されています(12-14)。
また、脳組織の修復、損傷の緩和なども
確認されています(12-14)。
周産期動脈虚血性脳卒中に対しても
臨床前の動物に対して効果が見られています(15)。
-
Verena Lehnerer, Anna Roidl, Olga Romantsik, Raphael Guzman, Sven Wellmann & Matteo Bruschettini
(敬称略)からなる医療研究グループは
胎児動脈虚血性脳卒中に対する間葉系幹細胞を使った
治療の系統的総括を初めて行っています(1)。
その分析内容結果の概略、
間葉系幹細胞治療が一般的に脳卒中に対して期待される効果、
間葉系幹細胞由来の細胞外小胞の可能性。
これらについて独自の調査、考察を加え
読者の方と情報共有したいと思います。
現状では周産期に発症する脳卒中の対症療法以外の
有効な治療法がない中で、お子さん(患児)に対する
より良い治療方法の開発、実現の一助になればと考えてます。

//分析結果概略(1)//ー
(条件概要)
対象は以下の20スタディー。
Ref.(16)-(35)。
主要な動物種：ラット
主要な注入方法：脳内接種
主要な間葉系幹細胞のソース：骨髄
主要な注入細胞量：1×10^6 cells
主要な細胞系統：同種異系
-
(運動機能)
円筒試験：顕著な改善(MD:-10.62)
投与から10, 21, 28日後
10日目に2回目投与により
1回投与よりも運動機能が向上
-
(認知機能)
水迷路試験：顕著な改善(MD:1.31)
-
(感覚機能)
嗅覚試験(食物探査)：顕著な改善(時間短縮)
-
しかしながら、高いバイアスが懸念されるため
エビデンスの確からしさは現時点で低いと評価されています。
〇研究のプロトコルの記載
〇適切なサンプルサイズ
〇厳格なランダマイズ試験
〇動物の性別のデータ
〇生存率
これらなどのデータは確からしさに貢献する
と考えられています(1)。

//間葉系幹細胞と脳卒中//ー
胎児、新生児に限らず
一般的に脳卒中の治療として
間葉系幹細胞を使う事は治療として有望である
とされています(36)。
上述した再生機能の中には
間葉系幹細胞が神経幹細胞として働き
虚血によって壊れた神経を回復させる事が期待されます(36)。
もう1つは、上述したように血管新生です(36)。
これにより脳卒中によって閉塞、狭窄した血管の
補完を実現する事が期待されます。
この間葉系幹細胞による血管新生は
〇直接的な分化、
〇細胞の接触による相互作用
〇傍分泌の効果
これらが挙げられています(37,38)。
この傍分泌では
bFGF, VEGF, TGF-β, PDGF, angiopoietin-1, 
placental growth factor (PGF), IL-6, 
monocyte chemotactic protein-1 (MCP-1)
これらの成長因子、サイトカインが挙げられています(37)。

//間葉系幹細胞由来細胞外小胞//ー
上述したように間葉系幹細胞は
免疫調整機能、組織再生機能、血管新生などの
効果があり、胎児、新生児を含めた
動脈虚血性脳卒中の治療において有望な可能性があります。
Dimitrios Tsiapalis and Lorraine O’Driscoll
(敬称略)からなる医療研究グループは
この間葉系幹細胞の利点は
それらが放出する細胞外小胞によって
(少なくとも一部は、傍分泌様の機序によって)
説明できるかもしれないとされています。
その中で、間葉系幹細胞ではなく
それ由来の細胞外小胞を投与して治療する可能性について
示唆されています(39)。
間葉系幹細胞はいくつかの課題があります。
〇変動性
〇量産性
〇輸送
〇倫理的問題
〇安全性
これらなどです(40-44)。
細胞外小胞の場合は、
細胞治療が潜在的に持つ細胞の癌化があります(45)。
また細胞が制御できない形で成長してしまう
可能性もあります。
その中で安全性の懸念があります。
また、病変部位までの輸送の問題もあります。
あるいは機能性を持たせる際に
細胞が持つ代謝機能の為
細胞内に薬剤を封入できないという問題も考えられます。
細胞外小胞は
自己複製能がないため、
内容物によっては癌化を促進する可能性がありますが、
それは「間接的」であります。
また、内容物、リガンドの設計精度が上がってくれば
(おそらく)リスクの多くは回避が可能だと推測しています。
また、核酸や分子標的薬剤など
細胞外小胞内に薬剤を詰める事ができます。
それによって治療の選択肢が向上します。
-
今回主要に取り上げている
周産期動脈虚血性脳卒中においても
間葉系幹細胞由来の細胞外小胞の効果が期待できます。
例えば、マウスのケースで
骨髄由来の間葉系幹細胞から取り出した細胞外小胞は
miR-133bを神経細胞に輸送することによって
神経突起伸長が確認されました(46)。
またラットのケースで
同様に全身投与により
軸索の密度、シナプトフィジン陽性エリアが
虚血性を呈した境界エリアに沿って増えている事が
確認されました。
また神経芽細胞のマーカー(doublecortin）
血管内皮組織のマーカー(von Willebrand factor）
これらがコントロール群に対して増えており、
神経生成、血管生成両方に効果があることが示唆されます。
これは脳卒中に対する治療可能性を示します(47-49)。
他にも
間葉系幹細胞由来の細胞外小胞により
抹消神経系も含めて神経系において再生機能が
いくつかの報告で確認されています(50-54)。
-
上述したようにmiRNAが重要なので
miRNAの種類と量を制御して、
病変部位に輸送する事に寄って
神経再生と血管生成を促すことができる可能性があります。
最終的には脳卒中がみられる場合
胎児や新生児の発達時期に早めに
間葉系幹細胞由来の細胞外小胞を届けることによって
お子さんの認知機能や運動機能の発達を含め
予後の改善に貢献できる可能性があります。
-
また、さらに残された余地としては
間葉系幹細胞由来の細胞外小胞を
どの様な手段で効率的に病変部位に届けるか？
ということです。
受容体とリガンドの相互作用を分析することには
課題があるとされています(55)。
しかし、その分析の精度を高め、
間葉系幹細胞由来の細胞外小胞の表面リガンドを
胎児、新生児の脳卒中部位に
特異的に現れている受容体に
親和性が高く結合するように設計し、表面装飾させる事で、
マウスよりも身体の大きい
人においてもより高い効果が出る可能性があります。

(参考文献)
(1)
Verena Lehnerer, Anna Roidl, Olga Romantsik, Raphael Guzman, Sven Wellmann & Matteo Bruschettini 
Mesenchymal stem cell therapy in perinatal arterial ischemic stroke: systematic review of preclinical studies
Pediatric Research (2022)
(2)
Raju, T. N. K., Nelson, K. B., Ferriero, D. & Lynch, J. K. and the NICHD-NINDS
Perinatal Stroke Workshop Participants. Ischemic perinatal stroke: summary of a
workshop sponsored by the National Institute of Child Health and Human
Development and the National Institute of Neurological Disorders and Stroke.
Pediatrics 120, 609 – 616 (2007).
(3)
deVeber, G. A. et al. Epidemiology and outcomes of arterial ischemic stroke in
children: the Canadian Pediatric Ischemic Stroke Registry. Pediatr. Neurol. 69,
58 – 70 (2017).
(4)
Gale, C., Statnikov, Y., Jawad, S., Uthaya, S. N. & Modi, N. Neonatal brain injuries in
England: population-based incidence derived from routinely recorded clinical
data held in the National Neonatal Research Database. Arch. Dis. Child. - Fetal
Neonatal Ed. 103, F301 – F306 (2018).
(5)
Sorg, A.-L. et al. Incidence estimates of perinatal arterial ischemic stroke in pre-
term- and term-born infants: a national capture-recapture calculation corrected
surveillance study. Neonatology 118, 727 – 733 (2021).
(6)
Sorg, A. et al. Risk factors for perinatal arterial ischaemic stroke: a large
case – control study. Dev. Med. Child Neurol. 62, 513 – 520 (2020).
(7)
Li, C. et al. Prenatal, perinatal and neonatal risk factors for perinatal arterial
ischaemic stroke: a systematic review and meta-analysis. Eur. J. Neurol. 24,
1006 – 1015 (2017).
(8)
Dunbar, M. & Kirton, A. Perinatal stroke: mechanisms, management, and out-
comes of early cerebrovascular brain injury. Lancet Child Adolesc. Health 2,
666 – 676 (2018).
(9)
Nitkin, C. R. et al. Stem cell therapy for preventing neonatal diseases in the 21st
century: current understanding and challenges. Pediatr. Res. 87, 265 – 276 (2020).
(10)
Augustine, S. et al. Mesenchymal stromal cell therapy in bronchopulmonary
dysplasia: systematic review and meta-analysis of preclinical studies. Stem Cells
Transl. Med. 6, 2079 – 2093 (2017).
(11)
Augustine, S. et al. Are all stem cells equal? Systematic review, evidence map, and
meta-analyses of preclinical stem cell-based therapies for bronchopulmonary
dysplasia. Stem Cells Transl. Med. 9, 158 – 168 (2020).
(12)
Archambault, J. et al. Therapeutic potential of mesenchymal stromal cells for
hypoxic ischemic encephalopathy: a systematic review and meta-analysis of
preclinical studies. PLoS ONE 12, e0189895 (2017).
(13)
Serrenho, I. et al. Stem cell therapy for neonatal hypoxic-ischemic encephalo-
pathy: a systematic review of preclinical studies. Int. J. Mol. Sci. 22, 3142 (2021).
(14)
Park, W. S., Ahn, S. Y., Sung, S. I., Ahn, J.-Y. & Chang, Y. S. Mesenchymal stem cells:
the magic cure for intraventricular hemorrhage? Cell Transplant. 26, 439 – 448
(2017).
(15)
Wagenaar, N. et al. Promoting neuroregeneration after perinatal arterial ischemic
stroke: neurotrophic factors and mesenchymal stem cells. Pediatr. Res. 83,
372 – 384 (2018).
(16)
Ding, H.-F. et al. Therapeutic effect of placenta-derived mesenchymal stem
cells on hypoxic-ischemic brain damage in rats. World J. Pediatr. 11, 74 – 82
(2015).
(17)
Ding, H. et al. Transplantation of placenta-derived mesenchymal stem cells
reduces hypoxic-ischemic brain damage in rats by ameliorating the in fl ammatory
response. Cell. Mol. Immunol. 14, 693 – 701 (2017).
(18)
Li, X. et al. 660 nm red light-enhanced bone marrow mesenchymal stem cell
transplantation for hypoxic-ischemic brain damage treatment. Neural Regen. Res.
9, 236 – 242 (2014).
(19)
Xia, G. et al. Intracerebral transplantation of mesenchymal stem cells derived
from human umbilical cord blood alleviates hypoxic ischemic brain injury in rat
neonates. J. Perinat. Med. 38, 215 – 221 (2010).
(20)
Zhang, X. et al. Therapeutic effect of human umbilical cord mesenchymal stem
cells on neonatal rat hypoxic-ischemic encephalopathy: hUCMSCs and Hypoxic-
Ischemic Encephalopathy. J. Neurosci. Res. 92, 35 – 45 (2014).
(21)
Zhou, X. et al. Human umbilical cord-derived mesenchymal stem cells improve
learning and memory function in hypoxic-ischemic brain-damaged rats via an IL-
8-mediated secretion mechanism rather than differentiation pattern induction.
Cell. Physiol. Biochem. 35, 2383 – 2401 (2015).
(22)
Yang, M. et al. Mesenchymal stromal cells suppress hippocampal neuron
autophagy stress induced by hypoxic-ischemic brain damage: the possible role of
endogenous IL-6 secretion. Neural Plast. 2020, 1 – 12 (2020).
(23)
van Velthoven, C. T. J., Kavelaars, A., van Bel, F. & Heijnen, C. J. Repeated
mesenchymal stem cell treatment after neonatal hypoxia-ischemia has distinct
effects on formation and maturation of new neurons and oligodendrocytes
leading to restoration of damage, corticospinal motor tract activity, and sen-
sorimotor function. J. Neurosci. 30, 9603 – 9611 (2010).
(24)
van Velthoven, C. T. J. et al. Mesenchymal stem cells restore cortical rewiring after
neonatal ischemia in mice. Ann. Neurol. 71, 785 – 796 (2012).
(25)
van Velthoven, C. T. J., Kavelaars, A., van Bel, F. & Heijnen, C. J. Mesenchymal stem
cell treatment after neonatal hypoxic-ischemic brain injury improves behavioral
outcome and induces neuronal and oligodendrocyte regeneration. Brain. Behav.
Immun. 24, 387 – 393 (2010).
(26)
van Velthoven, C. T. J., Kavelaars, A., van Bel, F. & Heijnen, C. J. Nasal admin-
istration of stem cells: a promising novel route to treat neonatal ischemic brain
damage: Pediatr. Res. 68, 419 – 422 https://doi.org/10.1203/
PDR.0b013e3181f1c289 (2010).
(27)
van Velthoven, C. T. J. et al. Mesenchymal stem cell transplantation attenuates
brain injury after neonatal stroke. Stroke 44, 1426 – 1432 (2013).
(28)
Cho, S.-R. et al. Astroglial activation by an enriched environment after trans-
plantation of mesenchymal stem cells enhances angiogenesis after hypoxic-
ischemic brain injury. Int. J. Mol. Sci. 17, 1550 (2016).
(29)
Kim, E. S. et al. Human umbilical cord blood – derived mesenchymal stem cell
transplantation attenuates severe brain injury by permanent middle cerebral
artery occlusion in newborn rats. Pediatr. Res. 72, 277 – 284 (2012).
(30)
Lee, J. A. et al. Mesenchymal stem-cell transplantation for hypoxic-ischemic brain
injury in neonatal rat model. Pediatr. Res. 67, 42 – 46 (2010).
(31)
Larpthaveesarp, A. et al. Enhanced mesenchymal stromal cells or erythropoietin
provide long-term functional bene fi t after neonatal stroke. Stroke 52, 284 – 293
(2021).
(32)
van Velthoven, C. T. et al. Mesenchymal stem cells attenuate MRI-identi fi able
injury, protect white matter, and improve long-term functional outcomes after
neonatal focal stroke in rats: effect of MSC treatment after stroke. J. Neurosci. Res.
95, 1225 – 1236 (2017).
(33)
Wei, Z. Z. et al. Intranasal delivery of bone marrow mesenchymal stem cells
improved neurovascular regeneration and rescued neuropsychiatric de fi cits after
neonatal stroke in rats. Cell Transplant. 24, 391 – 402 (2015).
(34)
Ohshima, M. et al. Intraperitoneal and intravenous deliveries are not comparable
in terms of drug ef fi cacy and cell distribution in neonatal mice with
hypoxia – ischemia. Brain Dev. 37, 376 – 386 (2015).
(35)
Sakai, T. et al. Functional recovery after the systemic administration of
mesenchymal stem cells in a rat model of neonatal hypoxia-ischemia. J. Neuro-
surg. Pediatr. 22, 513 – 522 (2018).
(36)
医療法人大雅会
ふくとみクリニック脳神経内科
間葉系幹細胞である証明
https://www.apoplexy.jp/apoplexy/effect02/
(37)
Hongyan Tao et al.
Proangiogenic Features of Mesenchymal Stem Cells and Their Therapeutic Applications
Stem Cells Int. 2016; 2016: 1314709.
(38)
Watt S. M., Gullo F., van der Garde M., et al. 
The angiogenic properties of mesenchymal stem/stromal cells and their therapeutic potential. 
British Medical Bulletin. 2013;108(1):25–53
(39)
Dimitrios Tsiapalis and Lorraine O’Driscoll
Mesenchymal Stem Cell Derived Extracellular Vesicles for Tissue Engineering and Regenerative Medicine Applications
Cells 2020, 9, 991
(40)
O’Brien, T.; Creane, M.; Windebank, A.J.; Terzic, A.; Dietz, A.B. Translating stem cell research to the clinic:
a primer on translational considerations for your first stem cell protocol. Stem Cell Res. Ther. 2015, 6, 146.
(41)
Amer, M.H.; Rose, F.R.A.J.; Shakesheff, K.M.; Modo, M.; White, L. Translational considerations in injectable
cell-based therapeutics for neurological applications: concepts, progress and challenges. NPJ Regen. Med.
2017, 2, 23. 
(42)
Volarevic, V.; Markovic, B.S.; Gazdic, M.; Volarevic, A.; Jovicic, N.; Arsenijevi´c, N.; Armstrong, L.; Djonov, V.;
Lako, M.; Stojkovic, M. Ethical and safety issues of stem cell-based therapy. Int. J. Med Sci. 2018, 15, 36–45.
(43)
MacPherson, A.; Kimmelman, J. Ethical development of stem-cell-based interventions. Nat. Med. 2019, 25,
1037–1044. 
(44)
Zakrzewski, W.; Dobrzy´nski, M.; Szymonowicz, M.; Rybak, Z. Stem cells: past, present, and future. Stem Cell
Res. Ther. 2019, 10, 68. 
(45)
Tögel, F.; Weiss, K.; Yang, Y.; Hu, Z.; Zhang, P.; Westenfelder, C. Vasculotropic, paracrine actions of infused
mesenchymal stem cells are important to the recovery from acute kidney injury. Am. J. Physiol. Physiol. 2007,
292, F1626–F1635. 
(46)
Xin, H.; Li, Y.; Buller, B.; Katakowski, M.; Zhang, Y.; Wang, X.; Shang, X.; Zhang, Z.G.; Chopp, M.
Exosome-mediated transfer of miR-133b from multipotent mesenchymal stromal cells to neural cells
contributes to neurite outgrowth. STEM CELLS 2012, 30, 1556–1564. 
(47)
Couillard-Despres, S.; Winner, B.; Schaubeck, S.; Aigner, R.; Vroemen, M.; Weidner, N.; Bogdahn, U.;
Winkler, J.; Kuhn, H.-G.; Aigner, L. Doublecortin expression levels in adult brain reflect neurogenesis. Eur. J.
Neurosci. 2005, 21, 1–14. 
(48)
Zanetta, L.; Marcus, S.G.; Vasile, J.; Dobryansky, M.; Cohen, H.; Eng, K.; Shamamian, P.; Mignatti, P.
Expression of Von Willebrand factor, an endothelial cell marker, is up-regulated by angiogenesis factors: a
potential method for objective assessment of tumor angiogenesis. Int. J. Cancer 2000, 85, 281–288. 
(49)
Xin, H.; Li, Y.; Cui, Y.; Yang, J.J.; Zhang, Z.G.; Chopp, M. Systemic administration of exosomes released from
mesenchymal stromal cells promote functional recovery and neurovascular plasticity after stroke in rats. Br.
J. Pharmacol. 2013, 33, 1711–1715
(50)
Ma, Y.; Ge, S.; Zhang, J.; Zhou, D.; Li, L.; Wang, X.; Su, J. Mesenchymal stem cell-derived extracellular
vesicles promote nerve regeneration after sciatic nerve crush injury in rats. Int. J. Clin. Exp. Pathol. 2017, 10,
10032–10039.
(51)
Ma, Y.; Dong, L.; Zhou, D.; Li, L.; Zhang, W.; Zhen, Y.; Wang, T.; Su, J.; Chen, D.; Mao, C.; et al. Extracellular
vesicles from human umbilical cord mesenchymal stem cells improve nerve regeneration after sciatic nerve
transection in rats. J. Cell. Mol. Med. 2019, 23, 2822–2835.
(52)
Bucan, V.; Vaslaitis, D.; Peck, C.-T.; Strauss, S.; Vogt, P.M.; Radtke, C. Effect of exosomes from rat
adipose-derived mesenchymal stem cells on neurite outgrowth and sciatic nerve regeneration after crush
injury. Mol. Neurobiol. 2018, 56, 1812–1824. 
(53)
Haertinger, M.; Weiss, T.; Mann, A.; Tabi, A.; Brandel, V.; Radtke, C. Adipose stem cell-derived extracellular
vesicles induce proliferation of Schwann cells via internalization. Cells 2020, 9, 163. 
(54)
Mao, Q.; Nguyen, P.D.; Shanti, R.M.; Shi, S.; Shakoori, P.; Zhang, Q.; Le, A.D. Gingiva-derived mesenchymal
stem cell-extracellular vesicles activate Schwann cell repair phenotype and promote nerve regeneration.
Tissue Eng. Part A 2019, 25, 887–900.
(55)
Bushra Husain, Kobe Yuen, Dawei Sun, Shengya Cao, Jian Payandeh & Nadia Martinez-Martin
Cell-based receptor discovery identifies host factors specifically targeted by the SARS CoV-2 spike
Communications Biology volume 5, Article number: 788 (2022)