創(chuàng)傷性腦損傷后內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞的變化及作用

宗盛華，楊 波，關(guān)方霞

(1.鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院神經(jīng)外科 河南鄭州 450052;2.河南醫(yī)學(xué)科學(xué)院 河南 鄭州 450003)

鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院 楊波教授 審校

神經(jīng)外科疾病中創(chuàng)傷性腦損傷發(fā)病率居高不下，其高死亡率、高致殘率一直是臨床上的難題。隨著近20年來國(guó)內(nèi)外對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)更深層次的研究，尤其是神經(jīng)干細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，讓人們對(duì)解決這一難題有了新的希望。目前對(duì)于創(chuàng)傷后腦損傷應(yīng)用神經(jīng)干細(xì)胞作為治療措施的基礎(chǔ)研究及臨床試驗(yàn)主要有兩方面:①體外干細(xì)胞分離培養(yǎng)增殖后和(或)定向誘導(dǎo)分化后移植;②采取措施促進(jìn)內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞的增殖、遷移及誘導(dǎo)其定向分化。與外源性神經(jīng)干細(xì)胞相比，內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞具有無免疫源性、無倫理學(xué)障礙、可自我更新、多潛能分化、成瘤性低等優(yōu)點(diǎn)。本文就近年來關(guān)于創(chuàng)傷性腦損傷后內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞增殖、遷移和分化的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。由此加深對(duì)原有疾病內(nèi)在機(jī)制的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也為干細(xì)胞的綜合治療提供新的依據(jù)。

1 腦內(nèi)內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞的正常分布、增殖、分化及遷移

目前研究認(rèn)為在成體腦內(nèi)內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞(endogenous neural stem cells，eNSCs)主要分布在側(cè)腦室的腦室下區(qū)(subventricular zone，SVZ)和海馬齒狀回顆粒下層(subgranular zone，SGZ)。在體外已經(jīng)從皮層、紋狀體、下丘腦、黑質(zhì)和脊髓中分離出具有分化潛能的神經(jīng)前體細(xì)胞，由此推斷這些區(qū)域的細(xì)胞具有NSCs潛能，但仍不能說其具有體內(nèi)NSCs的功能［1］。一般認(rèn)為腦內(nèi)廣泛存在的eNSCs正常情況下多處于靜息狀態(tài)，但研究表明腦內(nèi)存在持續(xù)的神經(jīng)增殖、遷移、分化及凋亡，而多種內(nèi)源性和外源性因素動(dòng)態(tài)地影響神經(jīng)再生的不同階段［2］，并且可能與學(xué)習(xí)、記憶、認(rèn)知等功能密切相關(guān)［3］。研究證實(shí)源自SVZ新生的前體細(xì)胞沿頭向遷移流(rostral migratory stream，RMS)遷向嗅球，并分化成為顆粒細(xì)胞(GC)和球旁細(xì)胞(PG)［4］。而成年海馬神經(jīng)發(fā)生則始于海馬齒狀回顆粒下區(qū)，向海馬齒狀回顆粒細(xì)胞層內(nèi)部遷移，分化成齒狀回顆粒細(xì)胞，并可向周圍延伸整合入神經(jīng)環(huán)路中，少部分變成神經(jīng)膠質(zhì)［5］。

2 創(chuàng)傷性腦損傷對(duì)內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞的影響

2.1 創(chuàng)傷性腦損傷對(duì)內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞增殖的影響 腦損傷后神經(jīng)發(fā)生高于正常水平是內(nèi)源性神經(jīng)修復(fù)的先決條件。研究證明腦損傷可以引起腦室下區(qū)、海馬齒狀回顆粒層及損傷區(qū)周圍的細(xì)胞增殖［6］，而這3個(gè)區(qū)域的神經(jīng)發(fā)生對(duì)神經(jīng)修復(fù)可能起決定作用。接下來本文將著重對(duì)這3個(gè)區(qū)域在創(chuàng)傷性腦損傷后的變化進(jìn)行探討。已有研究表明創(chuàng)傷后損傷區(qū)的反應(yīng)性細(xì)胞如膠質(zhì)細(xì)胞，免疫細(xì)胞等通過分泌多種因子影響eNSCs周圍環(huán)境，誘導(dǎo)并促進(jìn)其分裂增殖［7］。

關(guān)于不同區(qū)域eNSCs開始增殖及持續(xù)的時(shí)間，不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不一致。Ramaswamy等［8］發(fā)現(xiàn)在小鼠CCI模型3 d時(shí)受損皮層區(qū)就有神經(jīng)細(xì)胞增殖現(xiàn)象，這個(gè)時(shí)間太短不足以使來自SVZ和SGZ的神經(jīng)前體細(xì)胞遷移到損傷處，說明損傷區(qū)周圍本身就有神經(jīng)發(fā)生。但是這些神經(jīng)前體細(xì)胞是皮層原本存在的eNSCs還是有星型膠質(zhì)細(xì)胞去分化而來的目前仍存在爭(zhēng)議。Sundholm［9］應(yīng)用BrdU和Dcx雙標(biāo)示蹤腦損傷后小鼠的神經(jīng)發(fā)生，發(fā)現(xiàn)在損傷后15 d的SVZ雙陽性細(xì)胞數(shù)并沒有顯著增加，而之前Giongs等［10］應(yīng)用PSA-NCAM標(biāo)記神經(jīng)前體細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)在損傷后25 d的SVZ陽性細(xì)胞增加是有顯著性意義的。Chen等［11］研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)前體細(xì)胞在傷后 28 d恢復(fù)到對(duì)照組水平，Urbach等［12］發(fā)現(xiàn)腦損傷后神經(jīng)前體細(xì)胞增殖可持續(xù)至損傷后6周以上。

分析認(rèn)為，這些研究結(jié)果不同可能與所選動(dòng)物的種屬、月齡或損傷模型的不同有關(guān)?？偟膩碚f現(xiàn)階段的研究表明創(chuàng)傷性腦損傷可以激活eNSCs的增殖，但是損傷激發(fā)的eNSCs來源、類型、以及不同區(qū)域在損傷后開始增殖和持續(xù)的時(shí)間仍需要進(jìn)一步深入研究。

2.2 創(chuàng)傷性腦損傷對(duì)內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞遷移的影響

腦損傷后內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞被激活并遷移至損傷區(qū)域，才能進(jìn)一步替代受損神經(jīng)。Goings［13］等研究證實(shí)腦損傷激發(fā)SVZ細(xì)胞增殖，并打破其沿RMS遷移的穩(wěn)定性，使部分神經(jīng)前體細(xì)胞向損傷區(qū)遷移。而在對(duì)缺血缺氧敏感的海馬區(qū)，創(chuàng)傷激發(fā)的新生神經(jīng)細(xì)胞可能更多的替代該區(qū)創(chuàng)傷繼發(fā)凋亡的神經(jīng)元，從而對(duì)腦損傷繼發(fā)的認(rèn)知、學(xué)習(xí)、記憶障礙起到修復(fù)作用，此外也有部分新生細(xì)胞遷往損傷區(qū)域［14］。而這種遷移可能是由多種趨化因素誘導(dǎo)的，如:顫蛋白、Shh、SDF-1 等。

顫蛋白可能是皮層損傷后eNSCs遷移的主要激化分子之一。這種蛋白可以增強(qiáng)臨近細(xì)胞對(duì)化學(xué)信號(hào)的敏感度。Courtès［15］等研究指出損傷后顫蛋白表達(dá)一過性上調(diào)，推測(cè)這一上調(diào)可能增強(qiáng)了多種不同信號(hào)分子的誘導(dǎo)作用。Amankulor［16］等研究指出腦損傷后神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞過表達(dá)Shh，而神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞與損傷后的細(xì)胞遷移關(guān)系密切，提示Shh在腦損傷后eNSCs的遷移中可能起到了重要調(diào)控作用。Imitola［17］等研究發(fā)現(xiàn)由損傷部位分泌的SDF-1能與CXCR4結(jié)合，誘導(dǎo)eNSCs向損傷處遷移，進(jìn)而參與損傷修復(fù)。在新生小鼠腦內(nèi)，神經(jīng)母細(xì)胞放射狀的遷往皮層是被血管協(xié)助的。而Gotts［18］等發(fā)現(xiàn)腦損傷促進(jìn)SVZ內(nèi)皮細(xì)胞增殖擴(kuò)展為血管網(wǎng)，且其促進(jìn)的時(shí)間窗恰好與神經(jīng)前體細(xì)胞的遷移時(shí)間一致。

由此比較明確的是趨向性因子和脈管系統(tǒng)在神經(jīng)遷移中可能起到了重要作用?？梢哉J(rèn)為損傷激發(fā)的相關(guān)基因上調(diào)，從而高表達(dá)各種趨向性因子，趨使eNSCs在各種調(diào)控因子的作用下沿著脈管系統(tǒng)等腦實(shí)質(zhì)內(nèi)的固有間隙遷往損傷區(qū)域。但是這些研究也提示何種因素在調(diào)控遷移中起決定性作用及整個(gè)遷移的確切機(jī)制尚不清楚。

2.3 創(chuàng)傷性腦損傷對(duì)內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞分化的影響 創(chuàng)傷后eNSCs可分化成不同類型的細(xì)胞。通常認(rèn)為，eNSCs遷移至皮層損傷部位，并分化為投射神經(jīng)元對(duì)有效的內(nèi)源性修復(fù)是非常重要的。但是，目前研究表明皮層損傷后大部分遷入的前體細(xì)胞形成了神經(jīng)膠質(zhì)。在CCI損傷模型中，近損傷部位，絕大多數(shù)祖細(xì)胞形成了GFAP+的星形膠質(zhì)細(xì)胞，只有少部分分化為成熟的神經(jīng)元［19］。

腦創(chuàng)傷后損傷區(qū)微環(huán)境變化可能決定了細(xì)胞分化的命運(yùn)。損傷后腦內(nèi)一個(gè)顯著變化是少突膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子Olig2的暫時(shí)上調(diào)，而非神經(jīng)源性轉(zhuǎn)錄因子，如Pax6，Mash1，Gsh2，Ngn等。說明了這些神經(jīng)源性因子對(duì)皮層損傷無應(yīng)答，這也為通過外源性途徑應(yīng)用神經(jīng)因子調(diào)控?fù)p傷后神經(jīng)分化提供了可能性。Buffo［20］等通過抑制Olig2的表達(dá)誘導(dǎo)pax6增加了神經(jīng)發(fā)生，由此看來Olig2和pax6之間的平衡對(duì)細(xì)胞的命運(yùn)很重要。Shh可能在細(xì)胞分化中也起到了決定性的作用。在生長(zhǎng)發(fā)育過程中，Shh控制了腹側(cè)皮質(zhì)下端腦的神經(jīng)發(fā)育和分化以及少突膠質(zhì)細(xì)胞在這一區(qū)域中的分化［21］。損傷后Shh在皮質(zhì)中表達(dá)的增多可能抑制了神經(jīng)前體細(xì)胞向神經(jīng)元的形成而促進(jìn)了其向神經(jīng)膠質(zhì)的分化。

3 內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞與創(chuàng)傷性顱腦損傷的治療

3.1 外源性信號(hào)分子的作用 已有研究表明，在缺血缺氧損傷中應(yīng)用外源性的神經(jīng)生長(zhǎng)因子如BDNF，F(xiàn)GF2，GDNF，IGF1，VEGF等可以促進(jìn)內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞的增殖且增加其生存率［22－24］。但在創(chuàng)傷性腦損傷中的研究甚少。國(guó)內(nèi)有報(bào)道支持創(chuàng)傷性腦損傷后使用神經(jīng)生長(zhǎng)因子、表皮生長(zhǎng)因子均可增加大鼠模型內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞的增殖和肢體功能的恢復(fù)，而且兩種神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子聯(lián)合應(yīng)用使這種效果更為明顯［25］。

3.2 高壓氧、電針、行為學(xué)訓(xùn)練及豐富的環(huán)境的作用 適宜的高濃度氧吸入、某種程度的電流刺激、長(zhǎng)期規(guī)律的行為學(xué)訓(xùn)練，豐富的環(huán)境都會(huì)增加eNSC的增生。一般認(rèn)為這些方法都是通過上調(diào)某種(些)內(nèi)源性因子或降低損傷后內(nèi)在環(huán)境中的不利因素而起作用的。劉海等［26］報(bào)道，高壓氧使實(shí)驗(yàn)動(dòng)物eNSCs增殖、分化加強(qiáng)，脊髓損傷后的功能得到改善。電針也可促進(jìn)缺血后皮質(zhì)、海馬、紋狀體巢蛋白陽性細(xì)胞數(shù)量的增加，提示這種作用可能是電針治療腦缺血的重要作用機(jī)制之一［27］。鍛煉可以增加正常海馬區(qū)的NGF，BDNF，trkB，和 FGF等因子的表達(dá)并促進(jìn)該區(qū)的神經(jīng)發(fā)生［28］。

目前研究這些方法對(duì)缺血缺氧損傷后內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞的影響較多，而對(duì)創(chuàng)傷性腦損傷后的影響研究尚少。而創(chuàng)傷性腦損傷與缺血缺氧損傷的發(fā)病原因及機(jī)制方面都有很大的不同。因此，上述研究提示這些方法可能對(duì)創(chuàng)傷后的eNSCs起作用。具體的影響及機(jī)制仍需進(jìn)一步的研究。

4 展望

應(yīng)用內(nèi)源性干細(xì)胞修復(fù)創(chuàng)傷性腦損傷的關(guān)鍵依賴于我們對(duì)神經(jīng)干細(xì)胞自身特性和腦損傷后內(nèi)環(huán)境改變更深層次的研究。如何實(shí)現(xiàn):①激活足夠數(shù)量的內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞;②引導(dǎo)活化的神經(jīng)細(xì)胞向損傷區(qū)域的遷移;③有效的誘導(dǎo)分化手段使新生神經(jīng)細(xì)胞向神經(jīng)元方向分化是進(jìn)一步需要解決的問題。未來通過外源性刺激因子和神經(jīng)干細(xì)胞移植技術(shù)聯(lián)合來激發(fā)誘導(dǎo)內(nèi)源性神經(jīng)干細(xì)胞在神經(jīng)修復(fù)中的作用，從而達(dá)到綜合治療的最優(yōu)效果可能是個(gè)更好的選擇。

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