神經(jīng)干細(xì)胞在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的研究應(yīng)用進(jìn)展

牟長河 ，郝磊

（1中國人民解放軍陸軍第958醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，重慶 400020；2中國科學(xué)院大學(xué)附屬重慶仁濟(jì)醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，重慶400062）

干細(xì)胞（Stem Cells，SCs）是指具有無限自我更新能力和多向分化潛能的一類細(xì)胞。當(dāng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)受到損傷或退行性變時，受到數(shù)量及微環(huán)境的影響，內(nèi)源性干細(xì)胞的修復(fù)作用非常有限，幾乎不能進(jìn)行有效的神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞的修復(fù)，此時干細(xì)胞移植治療具有非常廣闊的前景，為腦梗死、帕金森、阿爾茨海默病、脊髓損傷等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的細(xì)胞移植治療帶來了新的希望。

1 神經(jīng)干細(xì)胞特性及來源

神經(jīng)干細(xì)胞（NSCs）是指自我更新、且具有分化為神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞等多向分化潛能的細(xì)胞。其在神經(jīng)系統(tǒng)中主要作為一種儲備細(xì)胞，即當(dāng)神經(jīng)系統(tǒng)受到損傷時，如急性缺血性腦梗死、神經(jīng)退行性疾病等，這些干細(xì)胞便開始增殖、遷移及分化為相應(yīng)的組織細(xì)胞，以便實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能的代償。NSCs不表達(dá)成熟細(xì)胞抗原，具有低免疫原性，因此在移植后相對較少發(fā)生異體排斥反應(yīng)，有利于其存活。NSCs來源于神經(jīng)組織，從哺乳動物胚胎期的大部分腦區(qū)、成年期的腦室下區(qū)、海馬齒狀回的顆粒下層、紋狀體、嗅球、皮質(zhì)、脊髓等部位均可成功分離出NSCs，并可以采用添加bFGF和EGF因子的無血清培養(yǎng)基進(jìn)行體外培養(yǎng)擴(kuò)增[1-8]。受到供體組織來源及倫理學(xué)限制，直接從神經(jīng)組織分離培養(yǎng)NSCs是不切實際的。近期研究發(fā)現(xiàn)，NSCs尚可由胚胎干細(xì)胞（embryonic stem cells，ESCs）、間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells，MSCs）和多能誘導(dǎo)干細(xì)胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）定向分化而來。此外，有研究者還發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子Sox2可以將人或鼠成纖維細(xì)胞直接重編程為NSCs，這種干細(xì)胞被稱為誘導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞（iNSCs）[9-11]。這種將體細(xì)胞直接分化為NSCs的方法具有很多優(yōu)點，比如節(jié)省時間、降低殘留的未分化細(xì)胞導(dǎo)致的成瘤風(fēng)險。將病人自體細(xì)胞直接分化為NSCs還可以避免免疫排斥的風(fēng)險。

2 神經(jīng)干細(xì)胞在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用

2 .1 缺血性腦卒中

缺血性腦卒中是嚴(yán)重威脅人類健康的常見病和多發(fā)病，目前主要的治療包括超早期溶栓和急性期神經(jīng)元保護(hù)療法，但是狹窄的時間窗使這些治療措施受到限制，受益患者極少。對大多數(shù)腦卒中患者而言，神經(jīng)元死亡已不可避免，如何積極有效地促進(jìn)神經(jīng)功能的恢復(fù)仍然是目前腦卒中研究的重點。雖然腦缺血可以激活內(nèi)源性NSCs的增殖和分化，但由于增殖的細(xì)胞數(shù)量少，遠(yuǎn)不足以促進(jìn)組織修復(fù)。外源性NSCs的成功培養(yǎng)為干細(xì)胞移植治療腦缺血損傷帶來極大的希望。大量的動物實驗表明通過不同途徑移植各種來源的NSCs，可以減少缺血性腦卒中動物的梗死面積，促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)[12,13]。如OKI等將在體外獲得的iPSC-NSC移植到腦梗死小鼠模型的紋狀體，移植后一周前爪運動功能明顯改善，在形態(tài)學(xué)上，移植細(xì)胞可分化為各種成熟神經(jīng)元，且在體內(nèi)可存活至少4個月，未發(fā)現(xiàn)腫瘤形成[14]。這些實驗表明人iPSC-NSC細(xì)胞移植是卒中后康復(fù)安全有效的治療措施。一項兩年的隨訪研究中，8例腦梗死病人靜脈移植NSCs和MSCs后，神經(jīng)功能明顯改善，未發(fā)現(xiàn)腫瘤形成[15]。在一項單中心、劑量遞增的開放性臨床研究中，13例缺血性腦卒中發(fā)病后6-60月的60歲及以上男性病人（NIHSS評分≥6分，mRS評分2-4分）立體殼核注射不同劑量的NSCs，2年收集臨床影像學(xué)資料，未發(fā)現(xiàn)免疫及細(xì)胞相關(guān)副作用，NIHSS評分平均改善2分[16]。 NSCs修復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)的損傷可能有以下機制[13]：①NSCs分化為多種類型的成熟神經(jīng)元、星狀細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞，修復(fù)、替代梗死后缺損的神經(jīng)細(xì)胞；②改變微環(huán)境，產(chǎn)生營養(yǎng)因子，如bFGF、EGF、BDNF等；③減少了炎癥反應(yīng)的發(fā)生、抑制了膠質(zhì)細(xì)胞的增生，且促進(jìn)了室管膜下區(qū)內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞的增殖和遷移，整體提高了神經(jīng)細(xì)胞的修復(fù)能力；④通過促進(jìn)VEGF和血管生成素的生成，從而促進(jìn)新生血管的形成，為神經(jīng)功能的恢復(fù)提供充足的血供。

2 .2 帕金森病

帕金森病（Parkinson’s Disease, PD） 是發(fā)生于中老年人的一種慢性中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，其主要病理改變?yōu)橹心X黑質(zhì)多巴胺神經(jīng)元進(jìn)行性變性壞死, 黑質(zhì)-紋狀體通路受損, 引起多巴胺從黑質(zhì)轉(zhuǎn)運到紋狀體的含量減少, 從而引起靜止性震顫、肌強直、步態(tài)遲緩和姿勢障礙等臨床癥侯群。盡管隨著藥物治療和外科手術(shù)方法的發(fā)展, 已可在相當(dāng)程度上改善患者的癥狀, 但不能阻止疾病進(jìn)展，長期療效仍不樂觀。NSCs的出現(xiàn)為PD的治療帶來新的希望。2006年，研究者[17]從發(fā)育中的人胚胎分離出NSCs，用表皮生長因子和成纖維細(xì)胞生長因子聯(lián)合培養(yǎng)后移植到單側(cè)紋狀體損傷的鼠腦內(nèi)，2周后發(fā)現(xiàn)大量未分化的細(xì)胞存活，并且在紋狀體內(nèi)遷移，分化后表達(dá)酪氨酸羥化酶，能部分改善鼠行為缺陷。這表明人中樞神經(jīng)系統(tǒng)的祖細(xì)胞通過體外培養(yǎng)使其增殖后，移植到宿主腦內(nèi)能夠遷移并分化為黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元，為帕金森病患者的NSCs移植治療提供了實驗依據(jù)。全面評估NSCs移植PD動物模型后證實，NSCs可以整合到黑質(zhì)紋狀體通路，恢復(fù)黑質(zhì)到紋狀體的投射，恢復(fù)DA的合成及釋放，改善帕金森癥狀[18-22]。 此外，NSCs聯(lián)合可溶性神經(jīng)營養(yǎng)因子（如IL-1、IL-11、LIF、GDNF）或基因修飾因子（Nurr1, SHH 和 Bcl-XL；Nurr1 和 Mash1 或 Pitx3）可增加多巴胺能神經(jīng)元的產(chǎn)生，移植到PD動物模型后可顯著改善神經(jīng)功能[23]。NSCs不僅可以通過分化補充丟失的神經(jīng)元，而且可以提供神經(jīng)保護(hù)因子、抗炎因子、促血管生成因子（GDNF、neurotrophin-3、BDNF、NGF、SHH、SDF-1a）等，重建修復(fù)穩(wěn)定的微環(huán)境，同時促進(jìn)內(nèi)源性神經(jīng)發(fā)生[24]。

2 .3 阿爾茨海默病

阿爾茨海默病，癡呆的最常見原因之一，是繼心血管疾病、腫瘤和腦卒中之后威脅老年人健康的第4位殺手，病程緩慢且不可逆。臨床表現(xiàn)為進(jìn)行性癡呆、記憶力的衰退和認(rèn)知功能的減退，在運動、認(rèn)知、語言和人格等方面出現(xiàn)不同程度的異常。其病理改變主要為基底節(jié)區(qū)的腦細(xì)胞廣泛死亡，乙酰膽堿化酶和乙酰膽堿含量顯著減少，腦中廣泛的神經(jīng)纖維纏結(jié)（主要成分為高度磷酸化的tau蛋白）及腦內(nèi)β-淀粉樣蛋白過度積累等。目前傳統(tǒng)治療藥物包括乙酰膽堿酯酶抑制劑、作用于N-甲基-D-天門冬氨酸受體的藥物、β淀粉樣蛋白形成抑制劑、抗氧化劑、鈣離子拮抗劑。這些藥物能相對減輕AD 的癥狀，但均不能阻止病情的進(jìn)展，因而療效有限。動物研究發(fā)現(xiàn)移植NSCs不僅能分化為多種類型的神經(jīng)細(xì)胞替代缺失神經(jīng)組織，同時能產(chǎn)生多種細(xì)胞因子，如腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子，神經(jīng)生長因子及膠質(zhì)源性神經(jīng)營養(yǎng)因子等，并促進(jìn)突觸發(fā)生、調(diào)節(jié)其可塑性，進(jìn)而有效改善AD動物認(rèn)知、學(xué)習(xí)與記憶功能[25-30]。此外，移植NSCs可通過降低致炎細(xì)胞因子IL-1、IL-6、TNF-a的表達(dá)，從而降低AD動物神經(jīng)炎癥[31]。宿主腦的微環(huán)境可以影響移植NSCs的遷移和分化，比如hAPP的過表達(dá)可以使移植的NSCs產(chǎn)生比神經(jīng)元更多的星形膠質(zhì)細(xì)胞。因此，AD病態(tài)的微環(huán)境對移植NSCs的治療可以產(chǎn)生負(fù)作用。研究表明，與單純NSCs相比較，穩(wěn)定轉(zhuǎn)染NGF的NSCs移植到AD動物大腦時更容易存活，并整合至大腦皮層，改善認(rèn)知功能[32]。此外，NSCs還可作為潛在治療因子的載體，包括腦啡肽酶（enkephalinase）、胰島素降解酶、纖溶酶、組織蛋白酶B，降低AD動物腦內(nèi)Aβ水平。因此，以NSCs為載體的基因治療是AD未來干細(xì)胞治療的新方向[32]。

2 .4 脊髓損傷

脊髓損傷（spinal cord injury，SCI）是由多種損傷因素引起的感覺和運動障礙。其病理機制主要包括：脊髓損傷導(dǎo)致血-脊髓屏障被破壞，局部缺血缺氧，多種炎性因子進(jìn)入損傷區(qū)域，觸發(fā)細(xì)胞壞死和凋亡等相聯(lián)效應(yīng)。炎性因子在損傷殘存神經(jīng)細(xì)胞的同時，還會造成脊髓創(chuàng)傷區(qū)邊緣脊髓組織的損傷。目前的藥物、手術(shù)等治療方式均不能從根本上解決神經(jīng)再生的問題。研究發(fā)現(xiàn)NSCs在移植到脊髓損傷區(qū)域后可分化為神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞，橋接脊髓斷端并且重建神經(jīng)傳導(dǎo)通路，改善損傷平面以下的運動及感覺功能[33,34]。另有研究證明， 將NSCs 體外分化為星形膠質(zhì)細(xì)胞后移植，可促進(jìn)脊髓損傷區(qū)空洞的修復(fù)，而將NSCs 誘導(dǎo)分化為少突膠質(zhì)細(xì)胞后移植到脊髓損傷區(qū)，可促進(jìn)損傷區(qū)脫髓鞘神經(jīng)的髓鞘化[35,36]。此外，通過對NSCs的基因修飾，過表達(dá)一些生長因子如VEGF、olig2等，可改變病灶區(qū)域的微環(huán)境可促使NSCs進(jìn)一步發(fā)揮作用[37,38]。在一項I期/IIa期臨床研究中，將胎腦NSCs移植至19名外傷性頸椎脊髓損傷患者，1年后17名患者的運動感覺功能恢復(fù)，2名患者運動功能完全恢復(fù)，但是感覺功能恢復(fù)不完全，沒有證據(jù)發(fā)現(xiàn)腫瘤形成、神經(jīng)功能惡化、神經(jīng)病理性疼痛或痙攣的加重[39]?？傊?，NSCs治療脊髓損傷的機制可能包括以下方面：NSCs分化后產(chǎn)生的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞可以分泌多種神經(jīng)營養(yǎng)因子，改善脊髓局部微環(huán)境并啟動再生相關(guān)基因的順序表達(dá)，使得損傷軸突開始再生[40]；產(chǎn)生多種細(xì)胞外基質(zhì)，填充脊髓損傷后遺留的空腔，為再生的軸突提供支持物[41]；補充外傷后缺失的神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞；使殘存脫髓鞘的神經(jīng)纖維和新生的神經(jīng)纖維形成新的髓鞘，保持神經(jīng)纖維功能的完整性；對神經(jīng)進(jìn)行保護(hù)及免疫抑制作用, 減少脊髓周圍組織壞死, 抑制炎癥、膠質(zhì)瘢痕形成、細(xì)胞的再損傷。

3 問題與展望

神經(jīng)干細(xì)胞的出現(xiàn)為眾多不可治愈的神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療帶了希望，但其臨床應(yīng)用仍有一定的限制。我們在試圖整合許多不同小組的研究成果時，最大的問題在于應(yīng)用方法和細(xì)胞的多樣性。沒有兩種神經(jīng)干細(xì)胞系是完全一樣的。即使采用相同的方法分離得到的同一來源的神經(jīng)干細(xì)胞，其表型和生物學(xué)特性都有差別。尋找可用于臨床的最佳神經(jīng)干細(xì)胞系具有很大的挑戰(zhàn)性。此外，采用人神經(jīng)干細(xì)胞進(jìn)行臨床前試驗時，必須使用藥物抑制異種移植免疫排斥反應(yīng)，其結(jié)果的可信度值得進(jìn)一步深思。