区域特征对神经干细胞移植治疗神经系统疾病的影响

神经干细胞和祖细胞（NSPC）移植已成为神经系统损伤和疾病后替代丢失的神经元群和修复受损神经回路的一种有前途的治疗策略。大量实验研究了临床前动物模型中神经干细胞移植的生物学特性；最近，神经干细胞移植已进入临床试验阶段。然而，有关神经干细胞移植生物学的一些基本问题还需要进一步研究。在这里，我们将重点讨论供体细胞的区域特性对决定神经干细胞移植后结果的重要性。我们讨论了在创伤性脑损伤和帕金森病模型中的主要发现，重点是从这项工作中学到的概念如何可能应用于脊髓损伤（SCI）后的移植。

由于神经元大量丢失和神经回路破坏，脊髓损伤通常会导致神经功能立即和永久性缺陷。成人中枢神经系统损伤后的再生能力有限，因此通过细胞和组织移植的方法替代丢失的神经元一直是科学研究的热点。

神经祖细胞是一种有吸引力的移植细胞来源，原因有多种：它们分化成不同的神经元细胞类型、星形胶质细胞和少突胶质细胞；移植源性神经元延伸至整个宿主神经系统，并与宿主神经元形成功能性突触连接；移植物支持功能重要的宿主轴突投射的再生；这些现象共同支持新的神经中继形成。有证据表明，在脊髓损伤的临床前模型中，神经干细胞移植后前肢、后肢、感觉和膀胱功能略有改善；然而，仍有很大改进空间。

在过去二十年中，啮齿类动物模型中越来越多的证据表明，NSPCs的基本特征，如性别（Pitonak等人，2022年）、表型特征（Zholudeva等人，2018年）和区域特征（Michelsen等人，2015年；Espuny-Camacho等人，2018年；Kumamaru等人，2018年），在决定移植到受伤或患病宿主神经系统后的结果方面都能发挥关键作用（图1）。

设计神经干细胞移植疗法时必须考虑的因素包括但不限于供体细胞的生物性别（左上）、供体细胞的区域特性（右上）和移植源神经元的表型特性（下）用于脑和脊髓损伤以及神经退行性疾病。

这些结果包括移植物存活和成熟、移植物衍生细胞表型、移植物轴突延伸、突触连接、与宿主感觉和运动回路的功能整合以及神经功能的恢复。例如，我们最近发现，雄性NSPCs移植到雌性宿主动物的颈背柱损伤SCI中会诱发免疫反应，其特点是血管过度扩张和细胞毒性 T 细胞浸润移植物（Pitonak 等人，2022 年）。在这篇 “视角 “文章中，我们将探讨表型特征和区域特征的重要性，这两个特征可通过调节来提高干细胞移植对神经修复和再生的功效。通过关注受伤和患病大脑中的关键移植研究，我们将讨论以往的神经再生研究发现如何突出区域特性和细胞表型在决定宿主和移植物之间形成适当神经中继以及促进移植物更好地融入宿主回路中的重要性。

脑部移植研究首次强调了区域特性对神经干细胞移植疗效的重要性（Michelsen等人，2015年；Espuny-Camacho等人，2018年；Kawata等人，2022年）。

Kawata等人（2022年）的研究表明，将小鼠胚胎干细胞衍生的下丘脑神经元正位移植到视神经上核，可使移植物轴突沿宿主大脑中的下丘脑束延伸，以及移植物轴突投射到垂体后区。然而，当小鼠胚胎干细胞衍生神经元异位移植到黑质网状部分时，在垂体后区没有发现轴突投射。这表明，在下丘脑或垂体疾病中，正位/区域身份匹配移植对于更好地再生和融入宿主大脑至关重要（Kawata等人，2022年）。

在Michelsen等人（2015年）的另一项研究中，小鼠胚胎干细胞衍生的视觉皮层特征神经元移植到视觉皮层后，恢复了受损的通路，包括长程和互向轴突投射以及与受损皮层靶点的突触连接。通过电生理记录观察，一部分移植神经元还对视觉刺激做出了功能反应。然而，在将相同的视觉皮层细胞移植物移植到运动皮层或将运动皮层细胞移植物移植到视觉皮层后，没有观察到适当的神经中继或整合，这表明移植神经元和病变宿主神经元之间的区域特性匹配是移植成功的必要条件（Michelsen 等人，2015 年）。

此外，同一研究小组还发现，将人多能干细胞衍生的视觉皮层细胞移植物移植到视觉皮层后，可建立轴突通路并将轴突延伸到特定的视觉皮层靶点，表达所有六个皮层的准确标记范围，并被确定为在宿主大脑内具有突触活性；而移植到运动皮层的相同细胞移植物则未能整合（Espuny-Camacho等人，2018）。总之，这些研究结果表明，移植物与宿主组织的区域特性匹配可能是成功重建受损成人神经回路的关键。

至于细胞表型的作用，Adler等人（2019年）研究了人类胚胎干细胞（hESC）衍生移植物移植到成年大鼠大脑后的目标适当神经支配和回路整合因素。作者的研究表明，细胞内在因素决定了移植物轴突神经支配的效率。他们发现，腹侧中脑模式的hESC移植显示出相似的轴突投射，并在正位或异位移植时支配多巴胺能神经元的适当靶点，即背外侧纹状体、伏隔核和腹外侧前额叶皮层（Adler等人，2019年）。

最近的另一项研究表明，在帕金森病小鼠模型中，将hESC衍生神经元移植到黑质的同一位置后，中脑多巴胺能神经元和谷氨酸能神经元这两种不同表型的神经元会将轴突投射到不同的脑区（Xiong等人，2021年）。这些研究表明，移植神经元的整合和神经支配性质受其细胞表型的显著影响。综上所述，上述发现强调了细胞表型和移植物位置匹配对于形成适当和特异的神经中继和突触整合的重要性，从而进一步提高功能结果。

少数研究也强调了脊髓损伤模型中细胞和区域特性对神经移植的重要性

Dell’Anno等人（2018年）发现，脊髓的人类神经上皮干细胞移植物而非新皮质特性的人类神经上皮干细胞移植物可以通过病变脊髓形成中继，重新连接幸免于难的宿主神经元，并与当地宿主神经元建立功能连接。与此相反，新皮质特性移植物不能获得成熟的神经元表型，也不能整合和延伸神经元。研究发现，只有在大脑皮层中，新皮质细胞整合才会显著增强，这清楚地表明，移植物与受体组织的解剖匹配对于功能性神经元网络至关重要（Dell’Anno 等人，2018 年）。

Kadoya 及其同事在2016年进行的一项研究评估了神经祖细胞移植物促进受损皮质脊髓束再生的能力，皮质脊髓束是负责人类自主运动的重要功能束。他们观察到，神经祖细胞需要具有尾部（脊髓）而非喙部（端脑）的命运，才能支持强有力的皮质脊髓轴突再生、突触形成，并在脊髓损伤后改善熟练的前肢功能。事实上，在这项研究中，皮质脊髓轴突在很大程度上未能穿透端脑移植物。此外，据观察，在与临床相关的大鼠挫伤性SCI模型中，hESC衍生的NSPC需要具有尾侧化的SC特性，以支持后肢运动功能的改善（Kumamaru 等人，2018年）。这些结果突出表明，损伤后需要同源（脊髓化）NSPCs进行神经元替代，以实现皮质脊髓在病变部位内外的稳健再生。

关于脊髓内的特定区域特性，White及其同事首次证明，将大鼠胎儿脊髓背侧或腹侧组织移植到高位颈椎 SCI 损伤部位，能够在解剖学和功能上与损伤的宿主膈神经回路整合（White等人，2010年）。然而，膈神经记录显示，背侧与腹侧移植物对膈神经恢复和活动的影响不同，从而表明功能恢复和呼吸结果受所用供体细胞表型特征的影响（White等人，2010年）。

Dulin 等人（2018 年）后来证明，与腹侧受限的移植物相比，如果脊髓NPC移植物是背侧受限的，那么宿主皮质脊髓和CGRP+轴突在损伤的成人脊髓中的再生能力就会增强。

最近的一项研究将区域特异性人类iPSC衍生的NPC用作小鼠胸腔挫伤SCI后的细胞治疗方法。作者通过在神经诱导过程中调节 Wnt 和视黄酸信号来实现这一目的。他们发现，只有脊髓型细胞（而不是前脑型细胞）能增强脊髓损伤小鼠的运动恢复能力，尤其是轻度至中度损伤的小鼠（Kajikawa等人，2020年）。在这项研究中，他们发现在没有声刺猬（Shh）激活的情况下，SC型特征主要表现为背侧特征，但之前的另外两项研究曾报道，iPSC衍生的NPC具有脊髓腹侧特征（而非脊髓背侧特征），可改善脊髓损伤动物的运动功能（Kawabata等人，2016）。这些研究共同强调了移植的脊髓NPC不仅具有前/后特性，还具有背/腹特性，以及它们的表型对宿主轴突再生的影响。

越来越多的证据表明，同型组织特征和背腹脊柱特征将是开发临床有效的人类细胞疗法时需要考虑的重要因素，有鉴于此，未来的工作需要了解支持神经功能恢复的细胞基质。例如，如果小鼠模型中需要尾椎腹侧移植物来促进运动功能的恢复，那么确定这些移植物中具有突触和功能整合到运动回路能力的特定细胞类型，是设计修复运动回路的人类细胞移植物工程的下一步。这样就能加快脊髓损伤后神经干细胞移植的临床转化。

参考资料：Amar Kumar P, Dulin JN. Implications of regional identity for neural stem and progenitor cell transplantation in the injured or diseased nervous system. Neural Regeneration Research. 2024 Apr;19(4):715-716. DOI: 10.4103/1673-5374.382236. PMID: 37843199; PMCID: PMC10664136.

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