神经干细胞的研究及其应用新进展_在线论文查询
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崔桂萍 天津市脑系科中心医院 300060 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（ neural stem cell, 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。 1. 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。 现发现 NSC 的生物学特征为：（ 1 ）具有自我更新能力；（ 2 ）具有多向分化潜能，可分化为神经元、星形细胞和少突胶质细胞；（ 3 ）处于高度未分化状态；（ 4 ）终生具有增殖分化能力，在有损伤的局部环境信号变化的刺激下可以增殖分化。其中（ 1 ）和（ 2 ）是 NSC 的两个基本特征。 2. 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。 2.1 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。 2.1.1 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。 2.1.2 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。 2.1.3 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 [4] 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。 2.1.4 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。 2.2 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。 2.2.1 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。 2.2.2 Ree1in ： Ree1in 是 ECM 中分子质量为 400 × 10 3 的蛋白质，与神经细胞表面的整合素受体 α 3 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。 2.2.3 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。 2.2.4 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 。 2.2.5 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。 2.3 基因调控 2.3.1 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 Notch IC 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。 2.3.2 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。 2.3.3 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。 2.3.4 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。 3. 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： 3.1 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 [12] 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。 3.2 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 [13] 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。 3.3 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。 3.4 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。 4. 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：人体能获得利用移植 NSC 的程度有多大？移植物增殖分化的关键基因是什么？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，等等。这些都有待于深入研究和解决，也希望我们的研究能广泛应用于临床。 作者简介：崔桂萍，女，主管检验师。 参考文献 1. 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