干细胞对神经系统疾病的治疗意义及应用

干细胞对神经系统的治疗意义及应用

最近人们对干细胞和神经系统产生了极大的兴趣，因为它们具有破译发育问题的潜力以及它们的治疗潜力。在这篇社论中，我们将批判性地评估不同类型的干细胞、它们的治疗意义以及它们的应用，希望能够将围绕这些细胞的炒作与科学现实区分开来。

什么是干细胞？

干细胞最初是在血液系统中定义的，但最近在包括大脑在内的许多其他部位被发现。这些细胞都具有自我更新和多能性1的相同特性，并且已经针对神经系统定义了各种不同类型和治疗策略（表1，图1）。

疾病	干细胞所需的主要功能
细胞置换
帕金森病	黑质纹状体多巴胺神经元
亨廷顿氏病	氨基丁酸能纹状体投射神经元
阿尔茨海默氏症（和其他痴呆症）	弥漫性神经元替代，包括基底前脑胆碱能替代
多系统萎缩 (MSA)	黑质纹状体和纹状体输出神经元
海马损伤（如全脑缺血）	海马神经元，尤其是CA1的神经元
局灶性缺血损伤	需要广泛的表型；取决于网站
创伤性脑损伤	需要广泛的表型；取决于网站
脊椎损伤	投射神经元（谷氨酸）；髓鞘再生
肌萎缩侧索硬化症	更换阿尔法运动神经元
多发性硬化症和其他脱髓鞘疾病	通过少突胶质细胞进行髓鞘再生
给药
癫痫	本地氨基丁酸
慢性疼痛	镇痛化合物，如甲氧脑啡肽和内啡肽
遗传缺陷，例如	代谢酶
粘多糖病VII	β-葡萄糖醛酸酶
泰-萨克斯病	β-氨基己糖苷酶A
脑内恶性肿瘤	抗有丝分裂药；修改过的病毒
“生长因子反应条件”	支持不同的神经元群体

这些细胞在治疗神经系统疾病方面受到如此关注的原因与它们有关：

1. 在培养中增殖的能力，并有望从有限的来源获得大量细胞；
2. 从患者身上获得的潜力；
3. 植入成人中枢神经系统后迁移和传播的能力；
4. 病理学领域的可能趋向性；
5. 使用病毒和非病毒基因转移方法易于操作；
6. 更好地融入正常脑细胞结构的能力，具有物质生理调节释放的潜力。

我们将简要讨论不同类型的干细胞以及它们如何应用于神经系统疾病，尤其是帕金森病，因为公认的观点认为这是最适合细胞替代疗法的疾病。

胚胎干细胞

胚胎干细胞来源于胚胎囊胚的内细胞团，具有多能性，具有很强的增殖潜力，但也有发生畸胎瘤的风险。迄今为止的大部分工作都集中在小鼠胚胎干细胞上，这些干细胞可以分化成神经元，包括多巴胺能神经元。

胚胎干细胞已被证明在帕金森氏病的动物模型中存活并改善了行为缺陷，虽然在这项研究中，20%的大鼠仍然在移植部位形成了畸胎瘤。相比之下，Kim等人使用依赖于Nurr1转染的不同方法（一种参与多巴胺能细胞分化的转录因子），已证明在没有肿瘤形成的情况下具有功能功效。

人类胚胎干细胞现在已经被分离出来并在培养中培养以丰富神经元谱系，这可能通过接触生长因子和有丝分裂原的组合来实现。当将这些细胞置于发育中的大鼠大脑中时，它们可以广泛迁移并以位点特定的方式分化，而不会形成畸胎瘤。然而，这些细胞的安全性需要进一步研究才能考虑用于临床。此外，这项技术的敏感性和围绕它的伦理问题使其成为细胞替代疗法的一个非常有争议的组织来源，在这方面，治疗性克隆问题是一个主要问题。

成人神经前体细胞

一个长期持有的教条是成年哺乳动物中枢神经系统 (CNS) 中的神经发生不会发生，尽管现在有充分的证据表明情况并非如此。新神经元在成年期来源于成年神经前体细胞 (NPC) 群体，这些神经前体细胞主要存在于脑室区的室管膜下层和海马体的齿状回中，尽管它们也可能存在于其他部位。然而，在所有这些站点中发现的NPC的行为是不同的，并且可能与他们所处的环境以及他们的内在属性一样多。

例如，黑质NPC似乎只在原位或移植到成年黑质时分化为星形胶质细胞，但当它们在体外培养或移植到海马体中时，它们可以形成神经元。这些新生神经元在成人中枢神经系统中的功能尚不清楚，但它们确实具有成熟神经元的特征，具有适当的神经生理学特性和整合到具有功能性突触传递和行为影响的神经元网络的证据。

尽管这项工作大部分是在啮齿动物身上完成的，但现在有证据表明成年人的海马体中有神经发生，细胞是从成年人的中枢神经系统中生长出来的。因此，假设NPC本身不参与疾病过程，自体移植的潜力是可能的，并且确实已经在一名帕金森病患者身上进行过尝试。

骨髓和非神经干细胞

用于神经系统疾病患者移植的自体细胞的另一种来源是那些来自非神经来源的细胞，包括含有一系列干细胞的骨髓。这包括造血干细胞，当它被移植到受辐射的接受者体内时，它可以迁移到大脑中并分化成小胶质细胞、星形胶质细胞，甚至可能是神经元。此外，还有间充质干细胞或骨髓基质细胞，当它们移植到成人大脑中时能够迁移和存活，并且可以在体外表达星形胶质细胞、少突胶质细胞和神经元的标记物。

事实上，当用多巴胺合成酶酪氨酸羟化酶转染时，它们甚至与帕金森氏病啮齿动物模型中的一些功能益处有关。然而，该系统产生神经细胞的稳健性和效率仍然很差，它对其他类型的非神经干细胞的广泛适用性也是如此。来自cDNA微阵列分析的一些证据表明，不同的干细胞实际上可能具有相似的表型潜力，而与来源无关。因此，从理论上讲，来自非神经系统的干细胞可以通过转分化过程用于神经细胞治疗。然而，最近有人担心这样的过程可能是细胞融合的结果——即成体体细胞似乎可以通过与分化程度较低的细胞融合来获得分化潜能。

胚胎神经干细胞 (NSC)

大多数关于干细胞和中枢神经系统的工作都是指源自发育中胚胎神经上皮细胞的神经干细胞。这些细胞在体外对表皮生长因子 (EGF) 和成纤维细胞生长因子 (FGF2) 等有丝分裂原作出反应，并且可以从大脑的任何区域扩增细胞。

随着发育进展到成年期，关于NSC的起源存在相当大的争论，最近有人提出这些细胞也可能起源于神经胶质细胞。放射状神经胶质细胞通常被认为是“支架”细胞，皮质成神经细胞沿着这些细胞迁移到最终目的地，之后它们分化成星形胶质细胞。然而，最近的体外和原位研究表明，放射状神经胶质细胞可能负责新生神经元的产生，以及它们在皮层内到达最终目的地的指导。这种细胞类型与源自神经上皮细胞的 NSC 的确切关系尚待阐明，尽管随着发育时间的增加，干细胞可能具有神经上皮细胞、放射状神经胶质细胞或最终的星形神经胶质细胞特征，它们都具有相同的特征巢蛋白表达。

这些细胞的分离很复杂，因为它们的培养不可避免地会导致祖细胞和干细胞的混合种群，这可以更好地描述为扩展的神经前体 (ENP)。此外，ENP在培养物中的增殖不是无限期的，因为似乎存在一定数量的群体倍增——即所谓的“Hayflick 极限”，相当于大约50次群体倍增30，之后未转化的细胞进入复制衰老和停止分裂。这种效应似乎取决于物种，虽然对人类的影响大于对啮齿动物的 ENP，但显然对其临床应用具有重要意义。试图用人类细胞来规避这个问题已经采用了培养技术的修改或使用编码永生癌基因的转导载体。即使没有肿瘤发生，这些基因操作也可能改变这些细胞的行为，因此必须谨慎地将这些细胞的结果外推到发育中和成人中枢神经系统中发现的那些细胞。

要使ENP具有临床价值，它们不仅需要在培养物中长期繁殖，而且必须能够适当分化，这受到内在和外在因素（如培养条件）的影响。话虽如此，从生长因子反应性ENP分化出来的神经元在表型上通常是 GABAergic，而与在胚胎中采集细胞的物种或区域无关。因此，对于大多数疾病，尤其是帕金森氏病，有必要改变或调节它们的命运，并且基于已知对它们的正常发育很重要的因素，已经提出了许多用于多巴胺能神经元生成的因素和方法（另请参见胚胎干细胞切片；见图2）。

将ENP暴露于声波刺猬 (Shh) 或包括nurr1在内的转录因子已被证明可以增加从这些细胞中获得的多巴胺能神经元的产量，尽管并非所有细胞类型都对此类刺激有反应，例如hNT神经元。然而，在大多数情况下，只有少量此类神经元从这些操作中出现，因此继续寻找可靠的培养方法以获得足够数量的多巴胺能神经元。

用于治疗神经系统疾病的神经干细胞移植

移植后胚胎神经干细胞的行为因细胞和动物模型的来源而异。就人类ENP和完整的成人大脑而言，已经表明它们能够在体内在活跃的神经发生区域（例如SVZ和海马体）中生成神经元，但当放置在非神经发生区域（例如纹状体。患病或受损的中枢神经系统的情况可能有所不同（见表1）。

帕金森病

使用人类ENP的早期移植研究显示了一些存活率和多巴胺能分化，但数量很少。这可能与以下事实有关，即在体外，来自发育中腹侧中脑的 NPC 仅在几次分裂后就失去了自发分化为多巴胺能细胞的能力。

用于临床移植的干细胞的基本特性

• 能够在体外进行克隆繁殖以确保同质性
• 高传代遗传稳定性
• 移植后在宿主脑内的整合
• 主机电路内的连通性
• 在受损部位迁移和植入
• 正确分化为合适的神经细胞类型
• 功能优势
• 没有副作用

因此，植入前ENP的“预分化”似乎是合乎逻辑的，并且这种方法已被Studer及其同事采用并取得了一些成功。另一种方法是采用离体遗传技术在植入前修饰细胞以表达酪氨酸羟化酶，这再次取得了一些成功。

亨廷顿氏病

亨廷顿病的移植修复为ENP带来了不同的挑战，因为移植的细胞必须同型地重建电路。迄今为止，在这种疾病中使用NSC的研究有限，但有一些证据表明人类NSC具有适当的神经元分化，尽管这些细胞在修复大脑中的功能功效和连接性尚未得到证实。

脑缺血

缺血性损伤的细胞替代疗法已在实验上显示出一定的前景。例如，据报道，MHP36系的移植可改善啮齿动物缺血模型的认知缺陷。然而，这些发现对ENP的适用性通常是不确定的，因为其他类似衍生的多能细胞系不显示这种能力。来自人类畸胎癌细胞系的hNT神经元也被证明可以减轻缺血动物模型的运动和行为缺陷，尽管根据组织学发现很难将功能恢复归因于回路重建。

然而，一些研究人员认为这是足够的数据，可以在基底神经节卒中和由此产生的运动缺陷患者中进行临床试验。令人欣慰的是，在I期研究中报告的12名患者中没有肿瘤发生或其他不良反应的证据，尽管由于缺乏足够的对照组而难以解释初步的功能和影像数据。然而，根据移植后27个月的尸检数据，至少有一些细胞存活的证据。

脱髓鞘疾病

ENP也被认为可以替代因脱髓鞘或髓鞘形成障碍疾病而丢失的神经胶质细胞。整体髓鞘形成不足的动物模型（例如颤抖 (Shi) 小鼠）已被用于检查移植的ENP对轴突进行髓鞘化的能力。少突胶质细胞构成分化细胞的一个非常小的组成部分，这些细胞在体外从EGF/FGF-2扩增的ENPs27和大多数遗传永生化干细胞系中自发出现。然而，当将此类细胞移植到髓鞘缺陷环境中时，据报道少突神经胶质细胞分化增加，这与一些髓鞘形成有关，在某些情况下与一定程度的功能恢复有关。

NSC作为生物活性物质递送载体的应用

除了直接替换因疾病而丢失的细胞从而重建中枢神经系统的潜力之外，NSCs还可以作为有效和灵活的载体，将神经活性化合物持续、局部地输送到大脑——例如用于神经保护的神经营养因子，或替代因单基因缺陷而丢失的蛋白质。在大多数设想的情况下，这将涉及对NSC进行基因工程，以指导和调节治疗性基因产物的表达（离体基因治疗）。

遗传病的治疗

许多罕见但具有破坏性的遗传性神经系统疾病的病因可完全归因于编码代谢或发育关键酶的单个基因功能的丧失。已经在一些原型动物模型中探索了干细胞在这种神经遗传退行性疾病中扩散传递功能性酶的能力，例如VII型粘多糖贮积症 (MPS VII, Morquio)。

用于神经保护的神经营养素和细胞因子

神经元在发育过程中的分化和存活取决于它们是否获得足够和特定的营养支持，这一理解意味着已经对许多细胞输送系统进行了检查，包括NSC。与基于病毒载体的递送系统相比，这种递送策略很有吸引力，因为宿主大脑没有经过基因操作，可以防止插入突变并保留宿主神经元的功能。此外，NSCs可以被完全表征，这样生长因子的产生水平可以被标准化，最后，额外的安全特征可以被纳入，例如“自杀盒”，这将允许消除细胞如果它有必要。

化疗药物

获得足够局部浓度的细胞毒性药物会阻碍原发性脑肿瘤的化疗。基于他们之前的工作表明C17.2NSC系在成年大脑中高度迁移，Snyder及其同事逆转录病毒转染该细胞系以表达抗有丝分裂化合物胞嘧啶脱氨酶。这些细胞被植入实验诱导的神经胶质瘤动物体内，并且似乎优先向肿瘤迁移，肿瘤体积缩小。同样，同一组最近报告了一种方法，可以利用该方法作为“特洛伊木马”，将治疗性病毒输送到脑内肿瘤。虽然这样的结果需要确认和更多的表征，但它们表明某些ENP可能显示出对病理学领域的趋向性，并可能用于化学疗法。

药物发现和治疗

最后，对于对药物发现感兴趣的商业组织，干细胞是一个有吸引力的选择。

结论

干细胞正在成为神经科学最令人兴奋的新领域之一，不仅可以揭示对正常发育的见解，还可以作为一系列神经系统疾病的治疗剂。在这两个方面，它们将通过提供对疾病机制和治疗性细胞疗法的见解来影响神经学实践。然而，此类方法的开发需要耐心，并且从实验室到临床的任何转化都必须缓慢进行，并以可靠的实验数据为基础。如果不这样做，不仅会损害参与此类研究的人员，而且会过早地破灭许多患者及其神经科医生的希望。

参考资料：

Barker RA, Jain M, Armstrong RJE, et al.Stem cells and neurological diseaseJournal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry 2003;74:553-557.

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