缺血性腦損傷與內源性神經干細胞研究進展

張 鈺，高劍峰，2

(1.鄭州大學第三附屬醫(yī)院兒科 河南鄭州 450052;2.河南中醫(yī)學院生理學科 河南 鄭州 450008)

缺血性腦損傷是臨床上最常見的神經系統(tǒng)疾病，致殘率和致死率均較高，存活者因神經元丟失而出現(xiàn)神經功能障礙。對缺血性腦損傷的治療目前主要采用支持與對癥治療，維持生命體征的穩(wěn)定。臨床上采用的神經營養(yǎng)藥物或者神經生長因子的臨床療效未獲得國際認可。神經干細胞因具有增殖、分化和替代受損神經元促進神經功能恢復的作用，是目前國內外研究的熱點。哺乳動物包括人類的大腦神經干細胞主要存在于海馬齒狀回顆粒下層(Dentate gyrus，DG)、側腦室室管膜(Ventricular zone，VZ)及室管膜下區(qū)(Subventricular zone，SVZ)兩個主要聚集區(qū)域，SVZ區(qū)新生的神經元可通過嘴側遷徙流(rostral migratorystream，RMS)移至嗅球和皮層，DG區(qū)新生的神經元可移至海馬顆粒層［1］。機體在缺血性損傷的刺激下，一方面導致大量的神經元死亡，但是另一方面作為機體的保護反應可以刺激內源性神經干細胞的增殖、分化，促進受損腦組織的結構與功能重建。但是，由于損傷刺激神經干細胞增生的數(shù)量有限，并且大部分在1個月左右死亡，不利于神經功能的恢復。而外源性干細胞移植對其療效和可行性以及潛在的副作用爭議較大。因此，通過不同途徑和策略動員內源性干細胞適時的增殖、分化并抑制其死亡可能是促進腦損傷后神經功能修復的有效途徑。

1 神經干細胞的生物學特征

神經干細胞(NSC)具有自我復制能力，生理狀態(tài)下可以進行對稱性分裂，產生的子細胞均是干細胞，亦可以通過非對稱分裂產生一個保持親代特征的干細胞和另一個可向多個細胞系終末分化的祖細胞，其機制與細胞漿中調節(jié)分化蛋白的不均勻分配有關，分裂后NSCs通過對稱性分裂來增加細胞的數(shù)量，通過非對稱分裂產生各種細胞系。健康成年大鼠腦組織中，NSC非對稱性分裂占55%，對稱性分裂為40%［2］。在不同生理和病理因素刺激下，可分別向神經元、星型膠質細胞及少突膠質細胞分化。

2 神經干細胞的增殖、遷移和分化

嚙齒類動物和人類神經干細胞主要存在于VZ、SVZ及DG等區(qū)域［3］。SVZ的神經干細胞包括A、B和C型細胞3個細胞亞群。其中，B型細胞有B1和B2兩種亞型。A型細胞為神經前體細胞，分裂周期頻繁。B型細胞是星形膠質細胞，鏡下排列方式多呈鏈狀，B1細胞多位于A型細胞和室管膜細胞之間，構成組織學上膠質邊界，而B2型細胞則位于A型細胞和紋狀體之間，構成二者之間膠質邊界。C型細胞的增殖頻率非?；钴S。腦缺血性損傷刺激可促進A型和C型細胞的數(shù)目明顯增加，對B型細胞的活化也有很強的刺激作用。用有絲分裂阻斷劑Ara－C干預后，A型和C型細胞幾乎完全消失，但B型細胞不受影響。在腦缺血后，A型和C型細胞在停用Ara－C 7 d后完全恢復，非缺血組則需14 d才能恢復，提示B型細胞是一種相對靜息狀態(tài)的神經干細胞。Ara－C阻斷A和C型細胞之后，B型細胞分裂，產生新的C型細胞，后者產生A型細胞，重建SVZ的增殖細胞群［4－5］。腦缺血后對稱性分裂的比例增加，向神經元表型分化增多，腦缺血14 d后，對稱性分裂比例回降，表明腦缺血可以暫時性地增加對稱性分裂的細胞比例，擴大前體細胞源，并促進其向神經元方向分化［6］。

生理狀態(tài)下，SVZ的NSC經RMS遷移到嗅球［7］。腦缺血后，SVZ的NSC可呈鏈狀遷移至缺血灶周邊區(qū)域，遷移細胞聚集成群，然后分散開并且生成樹枝狀突起。SVZ的B2型細胞因位于NSC和其下方的紋狀體之間，對NSC的遷移構成物理屏障。腦缺血刺激可減弱物理屏障作用，促進NSC向缺血灶遷移。NSC遷移到腦缺血灶周邊區(qū)域之后，在局部微環(huán)境刺激下分化為與周圍腦組織相適應的成熟的神經元，與鄰近的神經元形成新的突觸結構，參與神經網(wǎng)絡的重新構建，促進結構整合和功能恢復。內源性神經干細胞遷移中，可特異性表達DCX抗原。DCX+細胞胞體較小，有著單極或雙極的突起，是正在遷移過程中的不成熟的神經前體細胞。局灶性腦缺血后，SVZ區(qū)新生的細胞可離開RMS向損傷同側的紋狀體梗死區(qū)遷移，這些細胞中的一部分最終分化為紋狀體成熟的神經元和星型膠質細胞［8］。另有研究發(fā)現(xiàn)，損傷同側SVZ區(qū)的一些NSC向胼胝體和損傷區(qū)周邊皮質遷移［9］。生理狀態(tài)下，SGZ區(qū)的NSC主要向GCL遷移，缺血性損傷后依然沒有改變。TaNaKa等［10］觀察到了腦缺血后DG的中NSCs遷移，第5 d時GCL的新生細胞開始增加，到第30 d新生細胞中只有極少數(shù)仍位于SGZ，絕大多數(shù)最終移行到GCL，表達成熟神經元標志物，并具有和正常顆粒細胞相同的生長過程，能與周圍環(huán)境進行整合。

3 腦缺血后內源性神經再生調節(jié)修復

3.1 神經干細胞增殖水平的調節(jié) 生理狀態(tài)下，興奮性氨基酸可刺激相應跨膜信號轉導系統(tǒng)參與NSC的增殖分化，興奮性氨基酸受體活性下降可抑制腦缺血誘導的NSC增殖及突觸重塑效應［11］。NMDA受體拮抗劑可有效抑制興奮性氨基酸毒性改變腦內微環(huán)境，降低胞漿內Ca2+濃度，通過bcl-2抑制神經細胞凋亡，同時刺激表皮生長因子(EGF)、堿性成纖維細胞生長因子(bFGF)的表達，促進干細胞向神經元分化。腦缺血可刺激多種生長因子和細胞因子的表達，通過各自的信號轉導通路激活NSC。缺血性腦損傷時，bFGF促使神經干細胞向成熟神經元方向分化增多，潛伏期短且持續(xù)時間長，EGF促進神經前體細胞的增殖和分化作用主要發(fā)生在NSC增殖晚期，且bFGF早期作用提高了NSC增殖晚期對其他生長因子的作用效果，呈現(xiàn)增敏效應［12］。此外，腦缺血后堿性成纖維細胞生長因子-2(FGF-2)和干細胞因子(SCF)及其各自信號轉導受體表達均顯著提高，尤其SVZ和SGZ區(qū)域表達升高更為明顯。將SCF注入側腦室，SVZ和SGZ區(qū)的BrdU陽性細胞數(shù)明顯增加，神經元分化比率提高［13］。腦缺血后神經生長因子(NGF)和BDNF表達上調，其受體活性及數(shù)目也有相應提高，梗死周邊區(qū)神經元方向分化率提高，向梗死周邊遷移比例增加，突觸可塑性明顯提高，其促NSC增殖分化及新生神經元存活的作用呈現(xiàn)時間依賴性［14］。但也有報道稱BDNF的表達并不能促進腦缺血后神經的再生，Larsson等［15］將攜帶有BDNF基因的腺相關病毒載體注入海馬后，BDNF在海馬的長期表達并沒有促進海馬的神經再生，反而抑制齒狀回顆粒細胞的再生，其具體詳細機制還有待進一步研究。

3.2 神經干細胞存活水平的調節(jié)修復 腦損傷可激發(fā)缺血及周邊區(qū)域腦組織產生炎癥反應，炎癥與腦缺血后的神經再生有關［16］。Yamada等［17］研究離子通道發(fā)現(xiàn)，干細胞增殖受Ca2+通道以及細胞Ca2+水平變化的調節(jié)，腦缺血后缺氧以及炎性因子可刺激Ca2+通道持續(xù)開放，引起細胞外液Ca2+內流，也激活了很多Ca2+信號轉導通路，促進細胞分裂后存活因子的表達和釋放，激活NSC進入細胞周期。5-HT是缺血性腦損傷炎癥反應釋放增多的炎性因子之一，有效抑制5-HT合成或選擇性破壞5-HT神經元均可減少海馬齒狀回和側腦室下區(qū)新生細胞的數(shù)量。腦缺血缺氧可誘導EPO在星形膠質細胞的表達，同時EPO受體在側腦室下區(qū)的表達也升高。腦缺血后腦內EPO及其受體水平的升高是一種內在的保護反應，EPO也參與缺血后內源性干細胞的激活［18］，有助于NSC向新生神經元的分化和腦缺損功能的恢復。神經細胞凋亡的變化在神經再生中也發(fā)揮作用，Ekdahl等給予腦缺血成年大鼠側腦室注射caspase抑制劑，結果顯示抑制劑可使DG區(qū)BrdU陽性細胞數(shù)目增多，而TUNEL陽性細胞顯著減少，提示采取有效措施拮抗新生細胞的凋亡可以增加該區(qū)增殖細胞的數(shù)量［19］。

3.3 遷移和分化水平的調節(jié)修復 促進內源性神經干細胞向受損腦區(qū)遷移、定向分化、補充和替代缺失的神經元，發(fā)揮內源性修復作用是利用內源性NSC治療腦損傷的主要方向。多唾液酸－神經粘附分子(PSANCAM)可介導細胞的粘附和識別，促進神經前體細胞遷移、軸突生長和突觸連接，是腦損傷后NSC可塑性的重要調節(jié)因子，常作為檢測腦缺血后神經干細胞的數(shù)量及其增殖、遷移的指標［20］。Hayashi等采用大鼠MCAO模型，發(fā)現(xiàn)MCAO 90 min再灌注1 h后，梨狀皮層開始出現(xiàn)PSA-NCAM陽性細胞，再灌注8 h后MCA供血區(qū)域的皮質和尾狀核開始表達PSA-NCAM，提示腦損傷后腦皮質和尾狀核神經元具有可塑性變化的能力［21］。Reelin是一種細胞外基質蛋白，reelin與受體VLDLR、ApoE R2和整合素結合后，調節(jié)細胞與細胞以及細胞與基質之間的黏附分子，與神經元的正確遷移以及大腦的正常發(fā)育有關。Golan采用孕鼠缺氧模型，觀察胚胎期缺氧對新生鼠神經再生及遷移的影響，發(fā)現(xiàn)缺氧后2 h內Reelin表達減少并可持續(xù)24 h，經過MgSO4預處理后，海馬區(qū)新生細胞 Reelin表達增加，DG和CA1區(qū)的神經干細胞遷移增多，提示妊娠缺氧可通過影響神經細胞遷移，導致出生后長期神經發(fā)育及功能障礙［22］。Nishino等［23］利用體外多巴胺能神經元培養(yǎng)技術，發(fā)現(xiàn)多巴胺耗竭區(qū)組織的提取物中bFGF及GDNF活性比正常腦區(qū)明顯增高，將提取物刺激培養(yǎng)神經元細胞，神經元的存活率得到了提高，其軸突的延伸和胞體樹突的擴增都有了較大發(fā)展，推測GDNF及bFGF異常增高的活性可能是多巴胺耗竭區(qū)NSC生存與分化的環(huán)境誘導信號。

4 外在因素對神經干細胞增殖與分化的影響

開展內源性NSC的康復干預規(guī)律研究，對促進缺血性腦損傷的中樞神經結構再生和重建及功能恢復起到積極的作用。高壓氧可有效抑制腦缺血炎性反應，減少“半影區(qū)”腦組織壞死和細胞凋亡，減輕腦組織水腫和梗死體積，神經功能障礙得到恢復，其機制可能和促進腦內神經營養(yǎng)因子等的表達、促進內源性神經干細胞的激活有關［24］。Kim 等［25］利用沙土鼠腦缺血模型，發(fā)現(xiàn)針刺“足三里”穴可使齒狀回中細胞增殖數(shù)量明顯增加，電針大鼠雙側“合谷”穴區(qū)能使局灶腦缺血/再灌注后SVZ和DG區(qū)神經干細胞增殖更明顯，且病灶側多于病灶對側、病灶周圍分布密集，隨著治療時間增加細胞增多更明顯，且神經干細胞遷移軌跡呈立體模式。我們的實驗研究也發(fā)現(xiàn)，電針穴位刺激能夠促進幼年正常大鼠神經干細胞的增生以及向神經元分化［26］。電磁場對神經干細胞分化的調控也處于探討中，新生大鼠腦神經干細胞分別置于5 Hz和20 Hz正弦交變磁場(8 mT)中誘導分化，發(fā)現(xiàn)干細胞向神經元表型分化比率升高，且隨20 Hz電磁場干預時程的延長逐漸增高［27］。我們對臨床劑量的磁共振對神經干細胞的影響進行探討，并未發(fā)現(xiàn)磁共振對神經干細胞的增生以及分化有明顯影響［28］，但是，放射線以及臨床常用的麻醉藥異氟醚能降低神經干細胞的數(shù)量，減少神經元的再生，并且對未成熟腦的影響更明顯［29－30］。

5 結語

腦缺血可以激活自體的NSC增殖、存活、遷移、分化，但增殖的NSC數(shù)量有限，而且調節(jié)NSC存活、遷移、分化以及神經元修復和突觸形成的作用機制尚處于探索階段。如何增加內源性神經發(fā)生，如何誘導NSC向損傷腦區(qū)遷移、向神經元方向分化并整合到神經環(huán)路，如何避免體內抑制神經發(fā)生的因素，如何防止新生神經元的凋亡等都有待研究。但是，積極尋找并擴增內源性干細胞池、促進遷移、分化及子代存活的有效方法，使NSC增殖、向受損腦區(qū)遷移、定向分化、補充和替代缺失的神經元，發(fā)揮內源性修復作用是利用內源性NSC促進神經功能康復的主要措施。

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