神经干细胞在神经系统疾病中的研究应用进展

牟长河 ，郝磊

（1中国人民解放军陆军第958医院神经内科，重庆 400020；2中国科学院大学附属重庆仁济医院神经内科，重庆400062）

干细胞（Stem Cells，SCs）是指具有无限自我更新能力和多向分化潜能的一类细胞。当中枢神经系统受到损伤或退行性变时，受到数量及微环境的影响，内源性干细胞的修复作用非常有限，几乎不能进行有效的神经元和胶质细胞的修复，此时干细胞移植治疗具有非常广阔的前景，为脑梗死、帕金森、阿尔茨海默病、脊髓损伤等神经系统疾病的细胞移植治疗带来了新的希望。

1 神经干细胞特性及来源

神经干细胞（NSCs）是指自我更新、且具有分化为神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞等多向分化潜能的细胞。其在神经系统中主要作为一种储备细胞，即当神经系统受到损伤时，如急性缺血性脑梗死、神经退行性疾病等，这些干细胞便开始增殖、迁移及分化为相应的组织细胞，以便实现结构和功能的代偿。NSCs不表达成熟细胞抗原，具有低免疫原性，因此在移植后相对较少发生异体排斥反应，有利于其存活。NSCs来源于神经组织，从哺乳动物胚胎期的大部分脑区、成年期的脑室下区、海马齿状回的颗粒下层、纹状体、嗅球、皮质、脊髓等部位均可成功分离出NSCs，并可以采用添加bFGF和EGF因子的无血清培养基进行体外培养扩增[1-8]。受到供体组织来源及伦理学限制，直接从神经组织分离培养NSCs是不切实际的。近期研究发现，NSCs尚可由胚胎干细胞（embryonic stem cells，ESCs）、间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）和多能诱导干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）定向分化而来。此外，有研究者还发现，转录因子Sox2可以将人或鼠成纤维细胞直接重编程为NSCs，这种干细胞被称为诱导神经干细胞（iNSCs）[9-11]。这种将体细胞直接分化为NSCs的方法具有很多优点，比如节省时间、降低残留的未分化细胞导致的成瘤风险。将病人自体细胞直接分化为NSCs还可以避免免疫排斥的风险。

2 神经干细胞在神经系统疾病中的应用

2 .1 缺血性脑卒中

缺血性脑卒中是严重威胁人类健康的常见病和多发病，目前主要的治疗包括超早期溶栓和急性期神经元保护疗法，但是狭窄的时间窗使这些治疗措施受到限制，受益患者极少。对大多数脑卒中患者而言，神经元死亡已不可避免，如何积极有效地促进神经功能的恢复仍然是目前脑卒中研究的重点。虽然脑缺血可以激活内源性NSCs的增殖和分化，但由于增殖的细胞数量少，远不足以促进组织修复。外源性NSCs的成功培养为干细胞移植治疗脑缺血损伤带来极大的希望。大量的动物实验表明通过不同途径移植各种来源的NSCs，可以减少缺血性脑卒中动物的梗死面积，促进神经功能恢复[12,13]。如OKI等将在体外获得的iPSC-NSC移植到脑梗死小鼠模型的纹状体，移植后一周前爪运动功能明显改善，在形态学上，移植细胞可分化为各种成熟神经元，且在体内可存活至少4个月，未发现肿瘤形成[14]。这些实验表明人iPSC-NSC细胞移植是卒中后康复安全有效的治疗措施。一项两年的随访研究中，8例脑梗死病人静脉移植NSCs和MSCs后，神经功能明显改善，未发现肿瘤形成[15]。在一项单中心、剂量递增的开放性临床研究中，13例缺血性脑卒中发病后6-60月的60岁及以上男性病人（NIHSS评分≥6分，mRS评分2-4分）立体壳核注射不同剂量的NSCs，2年收集临床影像学资料，未发现免疫及细胞相关副作用，NIHSS评分平均改善2分[16]。 NSCs修复神经系统的损伤可能有以下机制[13]：①NSCs分化为多种类型的成熟神经元、星状细胞、少突胶质细胞，修复、替代梗死后缺损的神经细胞；②改变微环境，产生营养因子，如bFGF、EGF、BDNF等；③减少了炎症反应的发生、抑制了胶质细胞的增生，且促进了室管膜下区内源性神经干细胞的增殖和迁移，整体提高了神经细胞的修复能力；④通过促进VEGF和血管生成素的生成，从而促进新生血管的形成，为神经功能的恢复提供充足的血供。

2 .2 帕金森病

帕金森病（Parkinson’s Disease, PD） 是发生于中老年人的一种慢性中枢神经系统退行性疾病，其主要病理改变为中脑黑质多巴胺神经元进行性变性坏死, 黑质-纹状体通路受损, 引起多巴胺从黑质转运到纹状体的含量减少, 从而引起静止性震颤、肌强直、步态迟缓和姿势障碍等临床症侯群。尽管随着药物治疗和外科手术方法的发展, 已可在相当程度上改善患者的症状, 但不能阻止疾病进展，长期疗效仍不乐观。NSCs的出现为PD的治疗带来新的希望。2006年，研究者[17]从发育中的人胚胎分离出NSCs，用表皮生长因子和成纤维细胞生长因子联合培养后移植到单侧纹状体损伤的鼠脑内，2周后发现大量未分化的细胞存活，并且在纹状体内迁移，分化后表达酪氨酸羟化酶，能部分改善鼠行为缺陷。这表明人中枢神经系统的祖细胞通过体外培养使其增殖后，移植到宿主脑内能够迁移并分化为黑质多巴胺能神经元，为帕金森病患者的NSCs移植治疗提供了实验依据。全面评估NSCs移植PD动物模型后证实，NSCs可以整合到黑质纹状体通路，恢复黑质到纹状体的投射，恢复DA的合成及释放，改善帕金森症状[18-22]。 此外，NSCs联合可溶性神经营养因子（如IL-1、IL-11、LIF、GDNF）或基因修饰因子（Nurr1, SHH 和 Bcl-XL；Nurr1 和 Mash1 或 Pitx3）可增加多巴胺能神经元的产生，移植到PD动物模型后可显著改善神经功能[23]。NSCs不仅可以通过分化补充丢失的神经元，而且可以提供神经保护因子、抗炎因子、促血管生成因子（GDNF、neurotrophin-3、BDNF、NGF、SHH、SDF-1a）等，重建修复稳定的微环境，同时促进内源性神经发生[24]。

2 .3 阿尔茨海默病

阿尔茨海默病，痴呆的最常见原因之一，是继心血管疾病、肿瘤和脑卒中之后威胁老年人健康的第4位杀手，病程缓慢且不可逆。临床表现为进行性痴呆、记忆力的衰退和认知功能的减退，在运动、认知、语言和人格等方面出现不同程度的异常。其病理改变主要为基底节区的脑细胞广泛死亡，乙酰胆碱化酶和乙酰胆碱含量显著减少，脑中广泛的神经纤维缠结（主要成分为高度磷酸化的tau蛋白）及脑内β-淀粉样蛋白过度积累等。目前传统治疗药物包括乙酰胆碱酯酶抑制剂、作用于N-甲基-D-天门冬氨酸受体的药物、β淀粉样蛋白形成抑制剂、抗氧化剂、钙离子拮抗剂。这些药物能相对减轻AD 的症状，但均不能阻止病情的进展，因而疗效有限。动物研究发现移植NSCs不仅能分化为多种类型的神经细胞替代缺失神经组织，同时能产生多种细胞因子，如脑源性神经营养因子，神经生长因子及胶质源性神经营养因子等，并促进突触发生、调节其可塑性，进而有效改善AD动物认知、学习与记忆功能[25-30]。此外，移植NSCs可通过降低致炎细胞因子IL-1、IL-6、TNF-a的表达，从而降低AD动物神经炎症[31]。宿主脑的微环境可以影响移植NSCs的迁移和分化，比如hAPP的过表达可以使移植的NSCs产生比神经元更多的星形胶质细胞。因此，AD病态的微环境对移植NSCs的治疗可以产生负作用。研究表明，与单纯NSCs相比较，稳定转染NGF的NSCs移植到AD动物大脑时更容易存活，并整合至大脑皮层，改善认知功能[32]。此外，NSCs还可作为潜在治疗因子的载体，包括脑啡肽酶（enkephalinase）、胰岛素降解酶、纤溶酶、组织蛋白酶B，降低AD动物脑内Aβ水平。因此，以NSCs为载体的基因治疗是AD未来干细胞治疗的新方向[32]。

2 .4 脊髓损伤

脊髓损伤（spinal cord injury，SCI）是由多种损伤因素引起的感觉和运动障碍。其病理机制主要包括：脊髓损伤导致血-脊髓屏障被破坏，局部缺血缺氧，多种炎性因子进入损伤区域，触发细胞坏死和凋亡等相联效应。炎性因子在损伤残存神经细胞的同时，还会造成脊髓创伤区边缘脊髓组织的损伤。目前的药物、手术等治疗方式均不能从根本上解决神经再生的问题。研究发现NSCs在移植到脊髓损伤区域后可分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞，桥接脊髓断端并且重建神经传导通路，改善损伤平面以下的运动及感觉功能[33,34]。另有研究证明， 将NSCs 体外分化为星形胶质细胞后移植，可促进脊髓损伤区空洞的修复，而将NSCs 诱导分化为少突胶质细胞后移植到脊髓损伤区，可促进损伤区脱髓鞘神经的髓鞘化[35,36]。此外，通过对NSCs的基因修饰，过表达一些生长因子如VEGF、olig2等，可改变病灶区域的微环境可促使NSCs进一步发挥作用[37,38]。在一项I期/IIa期临床研究中，将胎脑NSCs移植至19名外伤性颈椎脊髓损伤患者，1年后17名患者的运动感觉功能恢复，2名患者运动功能完全恢复，但是感觉功能恢复不完全，没有证据发现肿瘤形成、神经功能恶化、神经病理性疼痛或痉挛的加重[39]。总之，NSCs治疗脊髓损伤的机制可能包括以下方面：NSCs分化后产生的神经元和神经胶质细胞可以分泌多种神经营养因子，改善脊髓局部微环境并启动再生相关基因的顺序表达，使得损伤轴突开始再生[40]；产生多种细胞外基质，填充脊髓损伤后遗留的空腔，为再生的轴突提供支持物[41]；补充外伤后缺失的神经元和胶质细胞；使残存脱髓鞘的神经纤维和新生的神经纤维形成新的髓鞘，保持神经纤维功能的完整性；对神经进行保护及免疫抑制作用, 减少脊髓周围组织坏死, 抑制炎症、胶质瘢痕形成、细胞的再损伤。

3 问题与展望

神经干细胞的出现为众多不可治愈的神经系统疾病的治疗带了希望，但其临床应用仍有一定的限制。我们在试图整合许多不同小组的研究成果时，最大的问题在于应用方法和细胞的多样性。没有两种神经干细胞系是完全一样的。即使采用相同的方法分离得到的同一来源的神经干细胞，其表型和生物学特性都有差别。寻找可用于临床的最佳神经干细胞系具有很大的挑战性。此外，采用人神经干细胞进行临床前试验时，必须使用药物抑制异种移植免疫排斥反应，其结果的可信度值得进一步深思。