神经外科百科

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什么是神经干细胞?

2012-02-13 22:44:49 本文行家:nianyue

具有分化为神经元、星形细胞和少突胶质细胞的能力,能自我更新并足以提供大量脑组织细胞的细胞称为神经干细胞。研究发现,NSC在神经管壁增殖,新生细胞呈放射状纤维迁移至脑的特定位置;主要存在于室管膜区,在成脑生发区以外的区域也广泛分布,即具有高度可塑性的神经前体细胞。神经干细胞研究的意义在于一是激发内源性神经干细胞对神经组织等架构的修复;二是通过外源性神经干细胞的植入,治疗疾病。

神经干细胞神经干细胞

1992年,Reynolds[1]首次成功地从成年小鼠纹状体中分离出神经干细胞(neuralstemcell,NSC),于是“神经干细胞”这一概念被正式引入神经科学研究领域。可以总结为具有分化为神经元、星形细胞和少突胶质细胞的能力,能自我更新并足以提供大量脑组织细胞的细胞。不少文献中还提到神经祖细胞和神经前体细胞,目前认为,神经祖细胞是指比NSC更有明确发展方向的细胞,而神经前体细胞是指处于发育早期的增殖细胞,可指代NSC和神经祖细胞:与NSC相比,二者的分裂增殖能力较弱而分化能力较强,是有限增殖细胞,但三者均属NSC范畴。神经干细胞(neural stem cells,NSCs)不仅存在于所有哺乳动物胚胎发育期的脑内,而且在其成年之后也有,这已为神经科学界所普遍接受。


NSC的起源、存在部位及生物学特征
 中枢神经系统的发育起源于神经沟、神经嵴、神经管;研究发现,NSC在神经管壁增殖,新生细胞呈放射状纤维迁移至脑的特定位置;主要存在于室管膜区,在成脑生发区以外的区域也广泛分布,即具有高度可塑性的神经前体细胞。神经干细胞是指具有分化为神经元细胞、星形胶质细胞、少突胶质细胞的能力,能自我更新,通过不对称分裂产生除自身以外的其他细胞,并足以提供大量脑组织细胞的干细胞。神经干细胞具有位置特异性的分化潜能,其增殖、分化和迁移,与细胞外基质(ECM)有非常密切的关系。 其生物学特性主要有以下几点:(1)多向分化潜能并处于高度未分化状态:可分化构成神经系统3种主要细胞,即神经元细胞、星型胶质细胞及少突胶质细胞。(2)自我更新,终生具有增殖分化能力:神经干细胞具有高度增殖和自我更新能力,通过对称性或非对称性分裂产生新NSCs,以此来维持干细胞库的稳定。(3)转分化性:即在适宜环境下成体神经干细胞可以产生其他组织分化的细胞类型,如骨髓基质干细胞不仅可分化为中胚层的间质组织,还保持有内外胚层组织的分化潜能。(4)迁移能力:向着其起源部位,或功能及解剖区域的特殊趋化作用;在神经系统发育过程中,NSC沿着发育索方向迁移。移植后的NSC受病变部位神经源性信号的影响,也具有向病变部位迁移的趋化性,并分化成特异性细胞。神经干细胞的这种迁移能力为脑肿瘤基因治疗提供了较为理想的载体。(5)低免疫原性:神经干细胞是未分化的原始细胞,呈巢蛋白(nestin)阳性,缺乏已分化细胞的抗原标志,不表达成熟细胞的抗原,具有低免疫原性,在移植后较少发生异体排斥反应,利于其存活。(6)对损伤和疾病具有反应能力:在有损伤或疾病的局部环境信号变化的刺激下可以增殖分化。


神经干细胞的移植来源 
   神经干细胞是从接受手术治疗的癫痫.创伤患者脑内分离出的, 存在于成年哺乳动物的脊髓、海马和室管膜下层的, 正常状态下处于静息状态的细胞。L ia n g 等从自然流产胎儿皮层中获得人神经干细胞,经过离心提纯以及体外增殖
  Gage发现神经干细胞来源主要有以下5方面。①胚胎组织来源神经干细胞:包括胚胎脑组织来源和胚胎干细胞来源;②成体组织来源神经干细胞:包括从出生到成年期脑组织的广泛区域;③神经嵴细胞:神经嵴细胞能自我更新,能够分化形成多种细胞类型,发育早期的神经嵴细胞对骨形成蛋白-2信号更加敏感,说明可能有更大的分化潜能;④原代细胞培养:原代细胞培养即从脑内特定的部位分离出神经干细胞,并在体外合适的条件下培养,可直接用于神经细胞移植。优点可以与其他神经细胞整合,完成生理学上的细胞替换,理论上可以作为把基因移植的最佳载体细胞;⑤建立“永生化”神经干细胞系,最常用的方法是通过反转录病毒将编码癌基因蛋白克隆到胚胎神经干细胞中,改变细胞的表型,使部分细胞渡过细胞分裂的危象期而获永生化。永生化的细胞可以携带外源性基因,这对于神经系统的基因治疗带来了希望。目前国内基础研究用的神经干细胞大多是动物胚胎脑组织、胚胎干细胞、人胚胎干细胞来源。

神经干细胞的移植途径 神经干细胞采用细胞悬液移植。移植方法可以分为:①将小神经球消化成单细胞悬液,采用立体定向的方法移植到病变部位②侧脑室内细胞悬液注射法,阮奕文等将神经干细胞注射到脑梗死大鼠侧脑室内,发现移植细胞可以穿过室管膜上皮,并迁移到梗死灶周围。但无论是静脉或是侧脑室细胞移植法,都依赖于神经干细胞向病变部位的迁移,所以报道虽认为有效,还没有可靠的、定量的研究证实大多数细胞能最终到达病灶而发挥作用。如果用于临床,神经干细胞通过局部手术移植,病人存在手术风险问题,且不能反复移植以保证干细胞的数量而受到制约。

神经干细胞的移植时机 Okano等认为移植选择急性期,大量自由基及兴奋性氨基酸等物质的存在,神经干细胞存活和分化数量少,再通的神经纤维数目少。如果选择恢复期,则可能出现存活的细胞数量较多,但损伤区域胶质瘢痕已经形成导致再通的神经纤维数目少,因此动物实验证明移植的最佳时机应该是损伤后1周~2周。代广辉等研究兔脊髓损伤后2周~4周以及4周后进行移植神经干细胞,在此期间移植治疗脊髓损伤效果均不理想,可使神经干细胞在宿主体内长期存活、增殖、分化,并且可以与宿主进行融合,以利于对损伤脊髓的修复。但考虑人与动物区别,上述“时间窗”仅供参考,最佳移植时机需大量临床试验做进一步的总结。

NSC的基础研究进展
NSC的增殖和分化调控是目前NSC研究的核心问题,最近的研究资料显示,NSC的增殖、分化、迁移调控受多种相关因素的影响。

神经递质
神经递质作为细胞外环境的一员,不仅介导神经元之间和神经元与效应器之间的信号传递,还参与NSC的增殖和分化。这些神经递质包括谷氨酸

(G1u)5-羟色胺(5-HT)、GABA、甘氨酸(G1y)、乙酰胆碱(Ach)一氧化氮(NO)、肾上腺素与性激素等。

G1u:在脑的发育过程中有高含量的G1u表达,Haydar等[2]发现,G1u可以通过大鼠胚胎皮质AMPA/KAR的激活调节室周区前体细胞的增殖,但GLU对室管膜区(SZ)和室管膜下区(SVZ)体内细胞的影响是不同的,它可增加SZ细胞的增殖,减少SVZ细胞的增殖;GLU还可促进神经元生长和分化。

5-HT:许多研究表明[3],5-HT在皮质发育、突触形成中起重要作用,抑制5-HT合成或选择性损伤5-HT神经元则引起齿状回及脑室下区神经元增殖活性下降,5-HT可促进胶质细胞分化和髓鞘形成。

GABA:GABA是成体脑发育过程中主要的抑制性神经递质。Haydar等[2]发现,GABA受体的激活可控制神经前体细胞的细胞周期;Stewart等研究发现,GABA和G1u对脑内不同区域细胞增殖的影响是不同的,内源性GABA激活GABA受体在新皮质和调节神经前体细胞增殖方面起重要作用。

G1y及其它:G1y受体(G1yR)通过增加突触后细胞膜C1-通透性而起突触后抑制作用。Flint等[5]发现,G1yR在胚胎大鼠和初生早期脊髓中为未成熟迁移和分化的神经元中起重要作用,推测G1yR信号可能在突触形成中其重要作用;Ach可通过α-7样烟碱乙酰胆碱受体激活导致新生大鼠嗅球原代培养细胞神经突起过度生长,相反,Ach可抑制胚胎小鼠脊髓神经元的神经突起生长。有资料显示,NO作为CNS的神经递质广泛参与神经细胞的存活、分化和可塑性的发生。而肾上腺素和性激素则可使新生小鼠齿状回新生细胞数量减少。


细胞外基质

细胞外基质(ECM)是组成间质和上皮血管中基质的不溶性结构成分,主要有胶原蛋白、弹性蛋白、蛋白多糖和糖蛋白等。研究表明,ECM可影响细胞分化、增殖、黏附、形态发生和表型表达等生物学过程。NSC具有位置特异性的分化潜能,其增殖、分化和迁移与ECM有非常密切的关系。


B-链蛋白:新近资料表明,NSC与ECM的黏附功能可以调节细胞的生长和增殖。NSC中的B-链蛋白和Tcy/Lef转录因子家族参与了细胞的成活、增殖和分化。Chenn等[6]发现,在NSC中稳定表达B-链蛋白的转基因小鼠,其发育的大脑皮质表面积增大,沟回变深而宽,类似高级哺乳动物的皮质;侧脑室腔变大,与之相邻的脑室壁有大量增生的细胞;并且其大部分NSC在有丝分裂后可重新进入细胞周期,说明过度表达B-链蛋白并不破坏神经细胞正常发育分化,皮质的扩大是由于NSC增殖所致,提示B-链蛋白与NSC增殖有关。


Ree1in:Ree1in是ECM中分子质量为400×103的蛋白质,与神经细胞表面的整合素受体α3亚基、极低密度脂蛋白和载脂蛋白E相结合,触发Dab-1胞液蛋白的衔接功能。在皮质发育过程中的神经元以及脊髓节前神经元迁移中起重要作用。


细胞黏附因子:细胞黏附因子是一种影响干细胞行为的重要信号蛋白,包括整合素和黏合素等。研究表明,ECM中的整合素在调控NSC增殖、分化和迁移方面有重要的作用。脑内整合素与配体的相互作用促进了神经细胞的迁移,神经突起过度生长和少突胶质细胞髓磷脂膜的形成,在可塑性过程的成体突触结构形成中也起重要作用。黏合素家族中的TN-C在早期发育的中枢神经系统中广泛表达,但在分化过程表达下降;成脑受伤后,TN-C表达上调,提示TN-C在提高中枢神经系统功能和可塑性方面有重要作用。Garcion等[7]用基因敲除TN-C的方法,发现小鼠少突胶质前体细胞向视神经方向迁移增加,但在各脑区的增殖率下降。


细胞生长因子:NSC的增殖和分化还受多种细胞生长因子的调控,如成纤维的细胞生长因子(FGF)和表皮生长因子(EGF)等。FGF有三种受体,FGFR1、FGFR2和FGFR3,发育早期FGF在胎脑内进行增殖或神经发生的区域内表达,成年脑内在相应的神经发生区内也有FGF的持续表达,提示FGF在调节NSC增殖中发挥重要作用,EGF在发育脑和成年脑内均有表达,神经元和星形胶质细胞均可表达EGF。


糖蛋白:糖蛋白家族包括层黏蛋白(LM),纤维连接蛋白(FN)和腱蛋白(TN),LM为基底膜的构成成分,可促进细胞黏附,调节细胞形态、分化及细胞迁移等;FN具有形成ECM,促进细胞黏附、伸展、迁移、吞噬及血液凝固等多种生物学作用;TN有促进细胞黏附,促进或抑制细胞增殖和迁移等多种作用,并有拮抗FN的细胞黏附作用。Takano等[8]新近发现,FN对小鼠神经脊细胞中黑色素细胞的增殖、分化和迁移有重要作用。而Chipperfield等[9]则发现,ECM中硫酸乙酰肝素葡糖胺聚糖(HS)可促进FGF-1对成体NSC的有丝分裂作用。


基因调控


Notch基因:Notch信号通路对于决定胚胎发生、造血和NSC分化起着至关重要的作用,当Notch被激活,干细胞进行增殖,当Notch活性被抑制,干细胞进入分化程序,发育为功能细胞。Tanigaki[10]等发现,Notch在成体NSC发育为胶质细胞中起着重要作用,表达NotchIC明显增加星形细胞分化,减少神经元和少突胶质细胞的产生。

bHLH基因:bHLH基因具有高度同源性,是发育过程中转录网络的重要组成部分,广泛参与神经和肌肉、细胞增殖分化、细胞谱系决定和性别决定等生理过程。bHLH基因在神经上皮细胞发育为神经元中起关键并激活下游作用,可促进细胞脱离细胞周期,使细胞游离出皮质,并激活下游特定神经元分化的遗传基因表达。

同源盒基因:同源合基因在生物进化中有高度保守性,对下游靶细胞具有调节作用。同源盒基因目前有Hox、Pax和Lim等几大类;目前认为,Hox的表达与中枢神经在发育中的分区有关,为不同神经元的发育提供位置特征;Pax的早期表达与神经发育过程中空间和时间的局限性有密切关系;Lim绝大多数在特定的神经元亚群中表达,参与特定神经元的发育。Galli等[11]发现,成体哺乳动物室周区的NSC表达同源盒基因

Emx2分化成神经元和胶质细胞时Emx2基因表达明显下调;然而,Emx2表达停止后,NSC对称分化为两个干细胞的频率增加,随着Emx2表达的增加,这种对称分化能力逐渐降低。

Nestin基因:Nestin属于中间丝蛋白家族,存在于分裂的NSC中,成熟神经元和胶质细胞不表达,被选作NSC的识别物,通过检测Nestin的表达即可确定多潜能干细胞的存在。


NSC的应用研究进展
随着对NSC了解的不断深入,国内外科学家积极开展对NSC的临床应用研究。表现如下:

细胞移植
试验研究表明,NSC可用于损伤的神经细胞替代;如脑缺血的细胞移植治疗以成为目前脑移植的新热点。多项研究证实,移植胚胎脑组织是修复脑损害,重建神经功能的有效治疗途径。目前有自体移植和异体移植两种途径,由于胎脑来源有限,并受到孕龄选择、活力保持、异体排斥反应及伦理道德等因素制约,使异体移植受到很大限制。于是自体移植的体外分离培养受到诸多科学家的深入研究并取得成功。刘辉等将人类胎儿海马NSC移植入大鼠颅脑损伤模型,一周后发现NSC移植治疗组与未治疗损伤组相比,呈明显运动功能改善,NSC分裂增殖为神经元或胶质细胞,并向受损脑组织迁移,所以,NSC是细胞移植治疗颅脑损伤的一种良好来源。

NSCs可以用来代替因为损伤或神经系统退行性病变而缺失的组织。理想的是重建组织适宜的结构并整合人周围组织;重要的是在这种治疗方案中,几种细胞类型需替代。在移植入成年啮齿动物脑内前,首先需从人胚胎干细胞。或胎儿脑内分离出NSCs,并在体外诱导分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞。值得注意的是NSCs整合入室管下区的微环境,促成嗅球的神经发生。在海马,移植的神经祖细胞分化为特定区域的神经细胞亚型,并功能性整合入周围的环路。NSCs移植入疾病或损伤的啮齿动物模型中取得了预期的效果。移植入的存活的NSCs首先迁移到病变部位并分化。成年鼠的NSCs移植入多发性硬化大鼠模型后可观察到少突胶质细胞祖细胞、宿主和移植来源的成熟细胞数量增加,病情明显好转。在大鼠脑梗死模型中,移植的NSCs迁移到损伤部位并大部分分化为神经元。在脑出血模型中,由静脉移植的NSCs在损伤部位分化成神经元和星形胶质细胞,并引起了功能的恢复。将富有多巴胺神经元的胚胎腹侧中脑移植入去神经的帕金森鼠中,结果移植物中的多巴胺神经元修复了损害引起的功能缺损。神经干细胞植入大鼠亨廷顿病模型脑内能保护维持运动习惯的能力,受损的运动习性也可重新恢复,表明植入的细胞在体内形成了功能性连接。Mcdona等给胸髓损伤大鼠分别注入单纯培养基、成年小鼠皮层神经元和胚胎干细胞,2周后发现植入干细胞者后肢恢复部分负重与协调能力,明显优于前二者。田增明等报道了人胚胎神经干细胞治疗21例小脑萎缩患者,发现移植后临床症状有改善。这些研究为神经干细胞治疗神经系统损伤和退行性疾病奠定了基础和广阔的前景。


基因载体治疗

一些大分子物质如神经生长因子(NGF)、脑源性生长因子,尽管有治疗作用,却不能通过血脑屏障,其治疗作用受到限制;然而,用NSC作载体,将编码特定神经递质或蛋白质因子的基因转导入NSC载体,以治疗CNS疾病,取得可喜进展,在脑肿瘤基因治疗更为突出。Benedetti等将表达白介素-4的基因转导到C57BL6J小鼠原代神经组织细胞,然后将这些细胞注入已建立的胶质母细胞瘤模型中,结果导致大多数带瘤小鼠的存活,磁共振证实了大肿瘤渐进性缩小、消失。

 基因或药物治疗载体移植入成年哺乳动物脑内的NSCs显示出惊人的定殖于疾病或损伤区的能力,这种特征又称为“亲病灶性”。这使得NSCs可以作为基因和药物治疗的载体。GDNF过度表达的NSCs移植可以阻止帕金森病模型中多巴胺能神经元的变性,改善外伤性脑损伤的认知功能,这种策略在高侵蚀性中枢神经系统肿瘤中有助于肿瘤抑制药物的目标定位。基因工程修饰的NSCs移植后可以分泌药物前体激活胞嘧啶脱氨酶活化酶,缩小裸鼠髓母细胞瘤的瘤块。分泌白细胞介素-12的NSCs定位于神经胶质瘤细胞,补充T细胞,诱导抗肿瘤免疫。该研究中定位于肿瘤的NSCs后来被证实是表达趋化因子受体的星形胶质细胞祖细胞。


神经损伤的再生
大量的试验研究表明,脑缺血可以出现发生区内源性NSC激活,以达到神经再生。Iwai等[14]认为,脑缺血后的神经再生可分为增殖、迁移、分化三个阶段;他们通过沙土鼠海马齿状回缺血再灌注损伤试验模型发现,沙土鼠脑缺血后第10天NSC增殖达高峰;缺血后20天,开始增殖的细胞表达神经黏附分子,并从颗粒层下区迁移至颗粒层;在到缺血后60天,这些迁移的细胞才分化为成熟细胞。
   近年研究表明多种神经系统损伤均可激发内源性神经细胞再生。追踪巢蛋白阳性的神经祖细胞定殖在成年脊髓损伤区,可以观察到这种祖细胞扩增并在损伤区分化为神经元;在脊髓挤压伤、局灶性脑缺血中,在有正常神经发生的大脑皮质和海马可观察到NSCs的增生,并可以被外源性神经营养因子所加强。但在病理状态下这种内源性干细胞的修复反应很显然是不够的,大量实验已证实哺乳动物中枢神经系统的神经元再生能力有限的原因并非由于缺乏足够NSCs,而是由于缺乏刺激NSCs分化所必须的神经因子。许多学者尝试在神经系统损伤局部应用某些刺激因子,以激活残留于损伤局部内源性的神经干细胞,从而完成对损伤的修复。旨在提高这种修复反应以期用于治疗目的的技术有待提高。


生命科学的研究
首先,通过干细胞的研究来检测人体的一些数量和浓度极为稀少的蛋白质;其次,通过研究药物对胚胎神经干细胞的生长分化的影响,推测某些药物潜在的胎儿致畸作用,人胚胎干细胞还可以提供在细胞和分子水平上研究人体发育过程中极早期事件的方法,并且不会引起相关的伦理问题。目前采用移植NSC治疗帕金森病、亨廷顿病、脊髓损伤、缺血性中风及老年痴呆等疾病取得一定进展,仍有待于进一步的研究和探讨。

提供营养支持NSCs移植有利于疾病的恢复
这归功于NSCs所提供的营养和抗炎支持。在中枢神经系统慢性炎症模型中可见移植人的NSCs在血管周围集聚,并引起致脑炎T细胞的凋亡。C17.2细胞可以自然分泌神经营养因子,包括神经生长因子(NGF)、脑源性神经生长因子(BDNF)和胶质细胞源性神经营养因子(GDNF),这有助于移植后脊髓损伤区域轴索的生长

结语
近几年,对NSC的基础研究和应用研究均取得了可喜的进展,随着认识的不断深入,尚有许多问题未能明确,如:
1人体能获得利用移植NSC的程度有多大?2移植物增殖分化的关键基因是什么?3 国内外的部分研究已发现神经干细胞移植到动物脑内后有潜在的致瘤性。4 在体外或体内对干细胞的定向诱导分化还没有得到很好解决,不能保证植入的神经干细胞按预想的途径分化,影响了移植的效果。5 神经干细胞迁移以及与组织结构融合的细胞内、外环境调节控制机制尚未完全清楚。

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参考资料:
[1] 神经干细胞及其应用研究新进展 http://www.yp900.com/lunwen_jichuyixue/16047.htm
[2] 神经干细胞的研究及其应用新进展 http://www.cn-teacher.com/fanli/200610/15838.html
[3] 医学笔记网 http://www.woacn.com
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