神經(jīng)干細(xì)胞治療阿爾茨海默病的研究進(jìn)展*

朱 瓊，徐亞麗 綜述，劉 政 審校

(第三軍醫(yī)大學(xué)附屬新橋醫(yī)院超聲科，重慶 400037)

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·綜 述· doi:10.3969/j.issn.1671-8348.2016.30.036

神經(jīng)干細(xì)胞治療阿爾茨海默病的研究進(jìn)展*

朱 瓊，徐亞麗△綜述，劉 政 審校

(第三軍醫(yī)大學(xué)附屬新橋醫(yī)院超聲科，重慶 400037)

阿爾茨海默?。簧窠?jīng)干細(xì)胞；治療

阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)屬于神經(jīng)退行性疾病，其神經(jīng)元的變性和缺失是不可逆轉(zhuǎn)的，確診后生存期僅為3～9年[1]。20世紀(jì)90年代以來(lái)，AD患病率增加超過(guò)了50%甚至更多[2]。目前，AD患者已超過(guò)4 000萬(wàn)，亟待新的治療方法。神經(jīng)干細(xì)胞(neural stem cells， NSCs)給AD的治療帶來(lái)了新的希望。但是，成體內(nèi)的內(nèi)源性NSCs數(shù)量極其有限，希望通過(guò)刺激內(nèi)源性NSCs增殖分化，或移植外源性NSCs到病灶處，以修復(fù)受損的神經(jīng)組織，補(bǔ)充缺失的神經(jīng)元，為AD提供一種嶄新的神經(jīng)元替代治療方法。

1 NSCs

NSCs是具有自我更新和多向分化潛能的原始細(xì)胞，可分化為神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞及少突膠質(zhì)細(xì)胞等多種類(lèi)型的神經(jīng)細(xì)胞，且具有高遷移、高播散及低免疫原性的特點(diǎn)。NSCs最早由Reynolds等[3]從成年小鼠紋狀體中分離得到，之后發(fā)現(xiàn)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的多個(gè)部位都有NSCs的存在，成人的NSCs主要存在于側(cè)腦室下區(qū)和海馬齒狀回顆粒下層，其特征性的標(biāo)志物是神經(jīng)巢蛋白。

研究發(fā)現(xiàn)移植NSCs不僅能分化為多種類(lèi)型的神經(jīng)細(xì)胞替代缺失神經(jīng)組織，同時(shí)能產(chǎn)生多種細(xì)胞因子，如腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子，神經(jīng)生長(zhǎng)因子及膠質(zhì)源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子等，并促進(jìn)突觸發(fā)生、調(diào)節(jié)其可塑性[4-5]，進(jìn)而有效改善AD動(dòng)物認(rèn)知、學(xué)習(xí)與記憶功能。但NSCs究竟是分裂為子代干細(xì)胞，還是分化為成熟子代細(xì)胞，如何調(diào)控其分化方向，其中的機(jī)制又是如何，是目前學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子、膠質(zhì)源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子、血管緊張素Ⅱ和促紅細(xì)胞生成素等均能促進(jìn)NSCs向神經(jīng)元分化。多種信號(hào)通路也與NSCs分化相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，丙戊酸鈉能通過(guò)激活Wnt-3α 和Wnt/β-catenin通路，誘導(dǎo)NSCs向神經(jīng)元的分化[6]。關(guān)于G蛋白偶聯(lián)受體5-核因子-κB(GRK5-NF-κB)通路在NSCs的分化中的作用，Zhang等[7]研究表明，敲除GRK5后，NSCs不僅分化受到抑制，而且促進(jìn)了NSCs的凋亡，其機(jī)制可能是GRK5敲除后，NF-κB的轉(zhuǎn)錄和LKB1(一種抑癌基因)的磷酸化受到抑制，同時(shí)激活了caspase3，進(jìn)而調(diào)控NSCs的分化和凋亡。Notch通路，泛素蛋白等也與NSCs的分化相關(guān)[8-9]。另外，培養(yǎng)微環(huán)境也影響NSCs的分化，如低氧的培養(yǎng)環(huán)境有利于NSCs向膽堿能神經(jīng)元分化。但到目前為止，尚沒(méi)有任何方法能精確調(diào)控NSCs的分化方向和比例，仍需進(jìn)一步探索。

2 NSCs治療AD的進(jìn)展

近年來(lái)關(guān)于干細(xì)胞移植治療AD的研究很多，各種干細(xì)胞均能分化為神經(jīng)細(xì)胞，但NSCs是神經(jīng)元最直接的來(lái)源，是最理想的替代細(xì)胞。胚胎干細(xì)胞(ESCs)能夠分化為神經(jīng)元，但其來(lái)源存在倫理爭(zhēng)議，而且術(shù)后容易致發(fā)畸胎瘤，目前尚無(wú)法應(yīng)用于臨床。誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPS)來(lái)源廣泛，操作簡(jiǎn)單，但具有致癌性，誘導(dǎo)效率低。間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)具有來(lái)源廣、易分離、可自體移植等優(yōu)點(diǎn)，但分化為神經(jīng)元及重建突觸功能還有待進(jìn)一步研究。NSCs遷移及傳播能力強(qiáng)，不僅能補(bǔ)充神經(jīng)元，且能重建部分環(huán)路和功能[10]，是神經(jīng)元替代的理想靶細(xì)胞。有研究發(fā)現(xiàn)，在脊髓損傷修復(fù)中，靜脈注射N(xiāo)SCs較骨髓MSCs，大鼠的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)速度更快，恢復(fù)的效果也更好[11]。NSCs分化為新的神經(jīng)元以替代和修復(fù)AD患者腦組織中受損的神經(jīng)元，目前主要有兩種途徑：(1)內(nèi)源性途徑，即誘導(dǎo)內(nèi)源性的NSCs增殖、分化，使受損的神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行自我修復(fù)；(2)外源性途徑，即直接移植外源性的NSCs以替代缺損的神經(jīng)組織或植入基因工程細(xì)胞。

2.1 內(nèi)源性途徑 內(nèi)源性途徑是通過(guò)激活體內(nèi)自身的NSCs，使其再進(jìn)入新的細(xì)胞循環(huán)，并誘導(dǎo)其增殖分化為所需的各種成熟的神經(jīng)細(xì)胞，修復(fù)或替代受損的神經(jīng)組織的過(guò)程。在AD病理情況下，腦部可有內(nèi)源性NSCs增殖，但不足以有效修復(fù)和替代受損神經(jīng)組織。所以有學(xué)者認(rèn)為，神經(jīng)退行性疾病實(shí)際上是內(nèi)源性神經(jīng)再生失敗的過(guò)程。如果能找到有效的方法誘導(dǎo)內(nèi)源性NSCs的增殖分化，將給AD患者帶來(lái)福音。研究發(fā)現(xiàn)，外源性的細(xì)胞因子能夠促進(jìn)內(nèi)源性NSCs的增殖分化。Han等[12]研究發(fā)現(xiàn)，NSCs產(chǎn)生的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子受體3(VEGFR3)及其配體VEGF-C，能激活靜止?fàn)顟B(tài)的NSCs進(jìn)入新的細(xì)胞周期，分化為神經(jīng)前體細(xì)胞，說(shuō)明VEGF-C/VEGFR3通路能夠特異性地激活NSCs，調(diào)節(jié)其增殖分化。有研究認(rèn)為血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子可改變AD大鼠的學(xué)習(xí)和記憶能力，其機(jī)制是通過(guò)刺激大鼠海馬區(qū)血管發(fā)生和神經(jīng)生成[13]。在AD小鼠模型中，Baron等[14]發(fā)現(xiàn)干擾素-γ能提高成體小鼠海馬齒狀回神經(jīng)發(fā)生，從而改善其空間學(xué)習(xí)記憶能力。神經(jīng)內(nèi)固醇3α，5α-四氫孕酮(ALLO)，是γ氨基丁酸受體A亞型的正性變構(gòu)劑，有研究發(fā)現(xiàn)，ALLO能夠明顯減少海馬、皮質(zhì)和杏仁體中Aβ的產(chǎn)生，激活NSCs分化相應(yīng)的信號(hào)通路，當(dāng)ALLO每周治療劑量為10 mg/kg時(shí)，能夠促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)再生，延緩AD病程的進(jìn)展，改善認(rèn)知和記憶功能[15]。Wei等[16]研究發(fā)現(xiàn)，低劑量的射線(xiàn)(0.3 Gy)能夠激活Wnt/β-catenin通路，刺激內(nèi)源性NSCs的增殖和分化。另外，研究發(fā)現(xiàn)改善認(rèn)知功能和治療癡呆的藥物、豐富的生活環(huán)境、針刺療法等在一定程度上也能激活內(nèi)源性的NSCs。以上研究提出，能否利用外源性的某種細(xì)胞因子或聯(lián)合應(yīng)用多種細(xì)胞因子，來(lái)調(diào)控內(nèi)源性NSCs的增殖分化，但由于NSCs分化的各個(gè)階段所需細(xì)胞因子種類(lèi)、濃度不同，各種因子聯(lián)合的有效性及安全性也無(wú)法確定，故仍待進(jìn)一步研究證實(shí)。

2.2 外源性途徑 外源性途徑即將體外培養(yǎng)并分化為特定的神經(jīng)細(xì)胞移植到體內(nèi)，或直接移植NSCs，通過(guò)信號(hào)引導(dǎo)作用使其分化為神經(jīng)元并建立細(xì)胞連接和功能的過(guò)程。根據(jù)是否對(duì)神經(jīng)干細(xì)胞進(jìn)行基因工程改造，分為異體NSCs移植和NSCs相關(guān)基因治療兩種。

2.2.1 異體NSCs移植 實(shí)驗(yàn)證實(shí)，將外源性的NSCs移植到體內(nèi)后，NSCs能向病灶遷移，并分化為特定部位的相應(yīng)細(xì)胞，其分化方向既與NSCs的內(nèi)在特性有關(guān)，也與所處微環(huán)境密切相關(guān)。例如過(guò)量表達(dá)淀粉樣蛋白前體將會(huì)導(dǎo)致移植的NSCs產(chǎn)生更多的星形膠質(zhì)細(xì)胞而不是神經(jīng)元。在體外通過(guò)細(xì)胞因子將NSCs誘導(dǎo)為特定細(xì)胞后移植到損傷部位，或者是直接將NSCs移植到損傷部位后同時(shí)注入相關(guān)的細(xì)胞因子，這兩種方法都可以改變NSCs局部微環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)其增殖分化。但到目前為止尚沒(méi)有發(fā)現(xiàn)利用某些細(xì)胞因子能將NSCs全部誘導(dǎo)為所需功能的神經(jīng)細(xì)胞。Zhang等[5]將NSCs移植到海馬區(qū)后，多種細(xì)胞因子產(chǎn)生增多，如N-甲基-D-天冬氨酸 2B單位、突觸素、蛋白激酶C ζ 亞型、酪氨酸受體激酶B及腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子等，且長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)效應(yīng)增強(qiáng)，AD小鼠的空間學(xué)習(xí)和記憶能力得到改善。Chen等[17]研究發(fā)現(xiàn)，將NSCs移植到12個(gè)月大小的轉(zhuǎn)基因AD小鼠的海馬區(qū)后，與未移植NSCs的對(duì)照組比較，在水迷宮實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)組小鼠的空間記憶和學(xué)習(xí)能力明顯優(yōu)于對(duì)照組，冰凍切片結(jié)果也顯示實(shí)驗(yàn)組的神經(jīng)元細(xì)胞明顯多于對(duì)照組，提示NSCs移植到海馬區(qū)后能夠分化為神經(jīng)元，進(jìn)而改善了AD小鼠的學(xué)習(xí)和記憶能力。有研究發(fā)現(xiàn)，雪旺細(xì)胞及嗅鞘細(xì)胞分別與NSCs聯(lián)合移植，NSCs的存活率均較單獨(dú)移植NSCs高，且分化為膽堿能神經(jīng)元的數(shù)量也增多，AD大鼠的學(xué)習(xí)記憶能力改善也更明顯[18-19]。到目前為止，盡管許多基礎(chǔ)研究表明，移植NSCs在AD治療中效果明顯，但究竟是NSCs分化為神經(jīng)元替代損傷的神經(jīng)組織，還是NSCs分泌的細(xì)胞因子或者是移植的NSCs激活了某些信號(hào)通路進(jìn)而促進(jìn)了神經(jīng)發(fā)生，尚存在爭(zhēng)議。

2.2.2 NSCs相關(guān)基因治療 隨著基因工程的發(fā)展，利用基因工程細(xì)胞替代和基因治療已成為整個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，其中尋找合適的載體是基因治療中最為關(guān)鍵的技術(shù)。將NSCs作為基因治療的載體，可以彌補(bǔ)許多其他載體的不足，且能提高外源性基因的表達(dá)效率。通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子基因等導(dǎo)入NSCs中，然后將NSCs導(dǎo)入體內(nèi)，使其表達(dá)外源性基因，進(jìn)而改善局部微環(huán)境，從而阻止神經(jīng)元的變性壞死，促進(jìn)NSCs的增殖分化[20]。Blurton-Jones等[21]在AD模型上已經(jīng)證實(shí)，NSCs能夠有效地遞送治療AD相關(guān)的蛋白到達(dá)腦內(nèi)。他們?cè)隗w外培養(yǎng)了能大量表達(dá)腦啡肽酶的NSCs，移植到AD老鼠模型中后，有效地減少了Aβ相關(guān)的病理過(guò)程，增加了突觸間的聯(lián)系。國(guó)內(nèi)有實(shí)驗(yàn)研究表明，腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子修飾的神經(jīng)干細(xì)胞和胰島素樣生長(zhǎng)因子修飾的神經(jīng)干細(xì)胞移植后，對(duì)AD大鼠的學(xué)習(xí)記憶能力都有明顯改善，其中腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子修飾的神經(jīng)干細(xì)胞能夠通過(guò)抑制海馬區(qū)p75表達(dá)來(lái)防止由Aβ1-40造成的神經(jīng)損傷[22-23]。Ben Menachem-Zidon等[24]利用基因工程將抗炎因子的基因?qū)隢SCs中后移植入AD老鼠，腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的表達(dá)量增多，同時(shí)海馬區(qū)細(xì)胞的數(shù)量增多，在水迷宮實(shí)驗(yàn)中，其學(xué)習(xí)記憶功能明顯優(yōu)于僅移植神經(jīng)前體細(xì)胞的老鼠。但目前載基因NSCs用于AD治療仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，如何安全高效地組合NSCs和目的基因仍需進(jìn)一步研究。

3 問(wèn)題與展望

近年來(lái)研究NSCs治療AD取得了一定的進(jìn)展，但目前仍停留在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，在研究中尚存在一些問(wèn)題。一是AD的主要病理環(huán)節(jié)是老年斑和神經(jīng)元纖維纏結(jié)，但目前對(duì)Aβ的來(lái)源尚沒(méi)有定論，沒(méi)有任何一種疾病模型能夠完全模仿此病理過(guò)程。目前使用的模型是同時(shí)攜帶APP和PS1基因的AD小鼠[25]。另外，NSCs的增殖、分化、遷移及局部微環(huán)境調(diào)控機(jī)制尚不清楚，對(duì)移植后的NSCs分化方向缺乏有效的調(diào)控手段，分化產(chǎn)生的神經(jīng)元能否形成突觸、建立有效的細(xì)胞間功能連接是目前面臨的主要瓶頸。移植后神經(jīng)功能恢復(fù)情況的評(píng)估，目前主要采用行為學(xué)指標(biāo)來(lái)判斷，但神經(jīng)功能的改善究竟是NSCs產(chǎn)生的新的神經(jīng)元替代受損神經(jīng)組織導(dǎo)致，還是因?yàn)镹SCs在體內(nèi)產(chǎn)生的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)作用；單獨(dú)移植NSCs能否有效減少Aβ的沉積、增加其清除；針對(duì)不同環(huán)節(jié)，聯(lián)合Aβ抗體和神經(jīng)元替代治療能否提高治療效果。這些問(wèn)題都還有待進(jìn)一步研究。相信隨著對(duì)NSCs認(rèn)識(shí)的深入，應(yīng)用NSCs治療AD或其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病在不久的將來(lái)將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

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國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81471795)。 作者簡(jiǎn)介：朱瓊(1990-)，在讀碩士，主要從事超聲空化治療相關(guān)研究?！?/p>

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