人類間充質(zhì)干細(xì)胞治療阿爾茨海默病相關(guān)調(diào)控的研究進(jìn)展

袁佳欣 管麗娜 王梅慧 孫忠文 任 超△ 王曉彤△

1)青島大學(xué)附屬煙臺(tái)毓璜頂醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，山東 煙臺(tái) 264000 2)青島大學(xué)附屬煙臺(tái)毓璜頂醫(yī)院神經(jīng)監(jiān)護(hù)室，山東 煙臺(tái) 264000 3)煙臺(tái)芝罘醫(yī)院，山東 煙臺(tái) 264000

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)是發(fā)生于老年和老年前期、以進(jìn)行性認(rèn)知功能障礙和行為損害為特征的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性變，臨床表現(xiàn)為記憶障礙、失語(yǔ)、失用、失認(rèn)、視空間能力損害、抽象思維和計(jì)算力損害、人格和行為改變等。AD是老年期最常見(jiàn)的癡呆類型，占老年期癡呆的60%～80%[1]。AD的發(fā)病率不斷上升，65歲以上發(fā)病率為1%～5%，85歲以上發(fā)病率為20%～40%[2]。目前AD的發(fā)病機(jī)制尚不明確，但隨著研究的深入，已取得極大的進(jìn)展。AD的病因多樣復(fù)雜[3]，如β-淀粉樣蛋白(Aβ)級(jí)聯(lián)反應(yīng)、Tau蛋白過(guò)度磷酸化、突觸受損、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和神經(jīng)遞質(zhì)耗竭、線粒體功能紊亂、氧化應(yīng)激、胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑、血管因素、炎癥機(jī)制、鈣代謝平衡失調(diào)、軸突轉(zhuǎn)運(yùn)障礙、細(xì)胞周期重返障礙、脂代謝紊亂等。其中最受肯定的是β-淀粉樣蛋白(Aβ)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，Aβ是AD腦內(nèi)大量老年斑(senile plaques，SP)的主要成分，通過(guò)影響β淀粉樣蛋白前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)的水解從而導(dǎo)致腦組織內(nèi)Aβ的釋放增多或清除減少，或Aβ自我積聚形成的各種寡聚體等產(chǎn)生神經(jīng)毒性作用，且Aβ積聚還可誘導(dǎo)Tau蛋白的聚集[4]、突觸減少、氧化應(yīng)激，使某些線粒體酶尤其細(xì)胞色素C氧化酶活性下降進(jìn)而促使細(xì)胞凋亡[5]。病理學(xué)上的典型表現(xiàn)為大腦皮質(zhì)神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)原纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangles，NFT，由過(guò)度磷酸化的微管Tau蛋白于神經(jīng)元內(nèi)高度螺旋化形成)、細(xì)胞外大量老年斑(嗜銀神經(jīng)軸索突起包繞β-淀粉樣蛋白而形成)形成、大腦皮質(zhì)細(xì)胞減少以及累及皮質(zhì)動(dòng)脈和小動(dòng)脈的血管淀粉樣變性[6-7]。依據(jù)AD發(fā)病機(jī)制的多種學(xué)說(shuō)也形成了多種治療策略[1-2]，如膽堿酯酶抑制劑、N-甲基-D-天冬氨酸受體拮抗劑、抗精神病藥物、抗β-淀粉樣蛋白治療(分泌酶抑制劑治療、免疫治療)、神經(jīng)保護(hù)性治療(抗氧化、抗自由基、Tau蛋白去磷酸化治療及抗炎癥治療)、雌激素替代治療、抗生素治療、降膽固醇治療、鈣離子拮抗劑、抗高血壓藥物、改善腦代謝藥物、改善腦循環(huán)藥物、中藥治療及聯(lián)合用藥等，但這些僅能緩解部分癥狀，尚不能阻止疾病的進(jìn)程。而AD的治療及護(hù)理需相當(dāng)大的人力及花費(fèi)，尋找AD的有效治療方法迫在眉睫。目前AD的治療主要集中于藥物治療，近幾年藥物治療的熱點(diǎn)主要集中于抗Aβ治療，而抗Aβ三期、四期臨床試驗(yàn)大部分以失敗告終。干細(xì)胞的出現(xiàn)為本病帶來(lái)了新曙光，干細(xì)胞在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物模型等方面已取得一定效果，但仍有許多問(wèn)題需解決才能推廣到臨床，如人類間充質(zhì)干細(xì)胞(human mesenchymal stem cells，HmeSCs)向神經(jīng)細(xì)胞方向分化受多種因子調(diào)控，調(diào)控問(wèn)題一直是干細(xì)胞移植治療較為核心的問(wèn)題之一。本文將就HmeSCs治療AD的調(diào)控因素做一綜述，以期為將來(lái)干細(xì)胞治療AD提供參考。

1 HmeSCs成為治療AD的重要干細(xì)胞來(lái)源

神經(jīng)發(fā)生在成人腦中首先記錄在海馬的腦室下區(qū)[8]和海馬的齒狀回[9-11]。神經(jīng)系統(tǒng)的新細(xì)胞神經(jīng)發(fā)生的最高水平是在胎兒和幼兒階段，但成年大腦還含有干細(xì)胞，即使在高齡時(shí)也保持發(fā)育可塑性。干細(xì)胞治療AD是近年的研究熱點(diǎn)，干細(xì)胞可以在特定條件下通過(guò)增殖及定向分化成不同的功能細(xì)胞。SHIHABUDDIN等[12]認(rèn)為，在神經(jīng)退行性疾病中干細(xì)胞最主要的來(lái)源包括多功能干細(xì)胞(來(lái)源于胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán))、胚胎生殖細(xì)胞(來(lái)源于胎兒的生殖腺脊)以及神經(jīng)干細(xì)胞(來(lái)源于胚胎、新生兒或成人腦內(nèi))。越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，異種移植后人類胚胎干細(xì)胞不僅能夠保存多能性和遷移能力，而且能夠提高老齡大鼠的認(rèn)知能力，對(duì)于許多難治性疾病特別是細(xì)胞及組織缺失或損傷性疾病，干細(xì)胞研究已成為其希望[13]，但倫理問(wèn)題和免疫排斥等限制其進(jìn)一步的臨床應(yīng)用[14]。而HmeSCs多潛能性的發(fā)現(xiàn)和向神經(jīng)細(xì)胞定向分化的成功[15]，且其具有來(lái)源豐富、采集方便、可自體回輸及較少發(fā)生免疫排斥反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)[16]，為神經(jīng)干細(xì)胞的來(lái)源增加了新途徑。HmeSCs能夠產(chǎn)生多種間充質(zhì)細(xì)胞譜系，包括骨骼、軟骨、脂肪、肌腱和其他結(jié)締組織[17-19]，包括肌肉和肝細(xì)胞[20-25]。一些體內(nèi)移植研究顯示HmeSCs的神經(jīng)和膠質(zhì)分化[26-30]，表明大腦環(huán)境產(chǎn)生的因子不僅可以使干細(xì)胞分化成神經(jīng)元，而且可使移植的外源性間充質(zhì)干細(xì)胞在腦內(nèi)發(fā)現(xiàn)類似甚至相同的改變，這些均支持HmeSCs 可能成為干細(xì)胞治療AD的重要來(lái)源。

2 調(diào)控HmeSCs分化的相關(guān)研究

2.1 HmeSCs移植治療AD前的原始分化調(diào)控HmeSCs要想實(shí)現(xiàn)對(duì)AD患者的神經(jīng)細(xì)胞替代治療，最關(guān)鍵是其定向分化問(wèn)題需要真正解決。然而，目前僅有少數(shù)HmeSCs體外分化為神經(jīng)元的報(bào)道，且表達(dá)既不一致也不持久[31-32]。 nanog是最近發(fā)現(xiàn)的一個(gè)基因，負(fù)責(zé)維持胚胎干細(xì)胞的多能性[33-34]，具有至少12個(gè)富含絲氨酸和蘇氨酸殘基的N末端區(qū)域[35-36]，結(jié)構(gòu)上nanog含有在同源結(jié)構(gòu)域部分內(nèi)編碼的3個(gè)螺旋，且其中央同源結(jié)構(gòu)域序列又可以分成3個(gè)區(qū)域。N端區(qū)域富含絲氨酸和蘇氨酸殘基，表明其磷酸化調(diào)節(jié)的反式激活可能通過(guò)與SMAD4的相互作用實(shí)現(xiàn)[36]。研究表明，nanog在胚胎干細(xì)胞、腫瘤和一些成體組織中具有活性[33-34，36-37]，胚胎干細(xì)胞在維持自我更新時(shí)會(huì)使得nanog急劇降低[33]，這已通過(guò)基因轉(zhuǎn)染技術(shù)證實(shí)[38]。自然情況下，nanog可防止干細(xì)胞分化且與Oct-4、Wnt[39]和BMP-4[40]同時(shí)起作用，通過(guò)STAT-3維持相關(guān)細(xì)胞的未分化狀態(tài)[33-34]。已有研究[41]將nanog作為提高人間充質(zhì)干細(xì)胞等成體干細(xì)胞定向分化的的重要調(diào)控因子之一。同時(shí)，因nanog的調(diào)控在細(xì)胞技術(shù)工程操作層面上是較為簡(jiǎn)單的，故其臨床應(yīng)用前景令人興奮。

2.2 HmeSCs移植治療AD在患者體內(nèi)的調(diào)控HmeSCs移植進(jìn)入AD患者體內(nèi)后一定會(huì)受到內(nèi)環(huán)境相關(guān)因子的影響，其中最重要的是APP。研究發(fā)現(xiàn)，APP對(duì)移植干細(xì)胞的作用具有雙重性。APP在胞外結(jié)構(gòu)域中經(jīng)β-分泌酶的裂解，產(chǎn)生可溶性膜相關(guān)的羧基末端胞外域片段，且異源β-分泌酶催化該片段的膜內(nèi)切割，產(chǎn)生Aβ和C-末端。APP基因的外顯子16和17編碼β淀粉樣蛋白(Aβ)，Aβ的積聚在AD的發(fā)病過(guò)程中起重要作用；而APP外顯子9和10編碼的APP 9～10的多肽對(duì)神經(jīng)細(xì)胞生長(zhǎng)、分化有營(yíng)養(yǎng)和促進(jìn)作用[42]。以往研究已表明，APP可能參與神經(jīng)突生長(zhǎng)、細(xì)胞增殖[43-45]、神經(jīng)元遷移[46]和神經(jīng)元分化[47]。有研究[41]發(fā)現(xiàn)，APP信號(hào)通路是參與神經(jīng)干細(xì)胞分化的調(diào)控系統(tǒng)之一，而APP的過(guò)度表達(dá)導(dǎo)致這些細(xì)胞的膠質(zhì)分化而不是神經(jīng)分化，說(shuō)明AD中的APP代謝誘導(dǎo)干細(xì)胞的神經(jīng)膠質(zhì)分化并導(dǎo)致干細(xì)胞群的耗盡，即使將干細(xì)胞移植到AD患者的大腦中，這些細(xì)胞也可能分化成星形膠質(zhì)細(xì)胞，而不是在病理狀態(tài)下有效產(chǎn)生神經(jīng)元。在無(wú)血清無(wú)介質(zhì)條件下，干細(xì)胞以神經(jīng)球的方式向上遷移并分化成神經(jīng)元，表明干細(xì)胞能夠產(chǎn)生體外分化所必需的內(nèi)源性因子。在早期無(wú)血清分化階段，許多干細(xì)胞表現(xiàn)出相同的萎縮形態(tài)，即細(xì)胞發(fā)生凋亡性細(xì)胞死亡。SUGAYA等[41]觀察到分化的干細(xì)胞接觸附近的凋亡細(xì)胞，表明干細(xì)胞最初在無(wú)血清分化條件下成為凋亡細(xì)胞，隨后表達(dá)遷移和(或)分化因子影響鄰近細(xì)胞的命運(yùn)。凋亡細(xì)胞釋放許多因子，有研究[41]指出，凋亡細(xì)胞和APP之間有重要相關(guān)性，損傷的神經(jīng)元和凋亡的神經(jīng)元顯示出對(duì)APP的強(qiáng)免疫陽(yáng)性信號(hào)。此外，該報(bào)道稱，在視黃酸介導(dǎo)的神經(jīng)元分化過(guò)程中，APP的表達(dá)也有所增加。在視黃酸介導(dǎo)的人神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞分化過(guò)程中，β淀粉樣前體蛋白(APLP-1和APLP-2)的mRNA表達(dá)也有上調(diào)。各種細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)神經(jīng)元分化過(guò)程中APP表達(dá)水平的提高表明其在分化過(guò)程中的重要作用，即凋亡細(xì)胞中的APP表達(dá)升高，并影響相鄰細(xì)胞分化。分泌型APP(secreted APP，sAPP)也可以使培養(yǎng)的神經(jīng)元產(chǎn)生蛋白激酶C和突觸發(fā)生[48]，除了顯著增強(qiáng)增殖，sAPP還能通過(guò)Ras途徑激活PC12細(xì)胞中的MAPK(ERK)。由于MAPK激活可以誘導(dǎo)增殖或分化，sAPP有可能在HNSCs中激活該途徑，從而誘導(dǎo)細(xì)胞分化。在神經(jīng)干細(xì)胞的誘導(dǎo)下重建神經(jīng)元回路的一種可能情況：從受損細(xì)胞或垂死細(xì)胞釋放的sAPP可能優(yōu)先誘導(dǎo)干細(xì)胞向神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞分化，而這些神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞又可以促進(jìn)其他神經(jīng)干細(xì)胞向腦部病變區(qū)域遷移，隨后向神經(jīng)元分化，這可能成為骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植治療AD時(shí)在患者體內(nèi)進(jìn)行調(diào)控的重要靶點(diǎn)。

3 問(wèn)題與展望

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞治療AD有很好的前景，但也存在問(wèn)題需要解決，正如諾貝爾獎(jiǎng)獲得者馬丁·埃文斯所說(shuō)，目前干細(xì)胞研究的重點(diǎn)就是把實(shí)驗(yàn)的成果應(yīng)用于實(shí)際的臨床治療中，而干細(xì)胞分化調(diào)控就是其中較為重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，移植前的體外調(diào)控和移植后的體內(nèi)調(diào)控都很重要，更好地應(yīng)用新發(fā)現(xiàn)的相關(guān)靶點(diǎn)對(duì)調(diào)控機(jī)制做進(jìn)一步研究，同時(shí)避免“干細(xì)胞旅游”[49]等的出現(xiàn)，我們結(jié)合既往經(jīng)驗(yàn)[15，50-64]，贊同負(fù)責(zé)任的業(yè)內(nèi)人士和專家的觀點(diǎn)，鼓勵(lì)大力開(kāi)展基礎(chǔ)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究，科研性質(zhì)的臨床應(yīng)用研究在部分有條件的醫(yī)院可規(guī)范化開(kāi)展。在相關(guān)研究不確切的情況下，暫不主張?jiān)谂R床上大規(guī)模推廣應(yīng)用。通過(guò)以上努力，希望HmeSCs治療AD的道路上越走越遠(yuǎn)。