神經(jīng)干細胞修復(fù)創(chuàng)傷性腦損傷及其影響因素的研究進展

陳佳樹，宋灝哲，陳 天，謝川平，趙格晶娃，李力卓

創(chuàng)傷性腦損傷(TBI)致死率和致殘率居創(chuàng)傷首位，中國每年有60萬TBI患者，其中大多數(shù)為重度腦損傷患者，其病死率高于20%、致殘率高于50%[1]。TBI主要致傷原因有跌倒、交通事故、運動或槍傷等，包括直接損傷和二次損傷，二次損傷主要包括炎癥反應(yīng)釋放對受損組織完整性造成嚴重傷害的信號分子和由于腦血流量、顱內(nèi)壓的改變等引起繼發(fā)性損傷區(qū)域周圍水腫帶的出現(xiàn)。隨著創(chuàng)傷系統(tǒng)和急救技術(shù)的發(fā)展，腦損傷的愈后已經(jīng)有很大改善。但是TBI造成的二次損傷還沒有一個好的解決方法。因此，除傳統(tǒng)手術(shù)等治療手段，還需要研究新的治療技術(shù)來阻止甚至逆轉(zhuǎn)腦損傷。近年來神經(jīng)干細胞(neural stem cells,NSCs)成為治療神經(jīng)系統(tǒng)損傷與神經(jīng)退行性病變的研究焦點，但其移植后成活率和神經(jīng)元的轉(zhuǎn)化率嚴重限制了臨床的應(yīng)用。本文主要探討NSCs在腦損傷中的作用以及其已知的機制與方法。

1 NSCs的基本特性

NSCs有兩個基本屬性：無限的自我更新能力和分化為成熟細胞表型的能力[2-3]。首先，NSCs有永久的增殖能力，并終生存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中[4]；其次，NSCs有分化多向性，可以產(chǎn)生中樞神經(jīng)系統(tǒng)中神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)細胞等細胞[5]。NSCs存在于大腦的側(cè)腦室室管膜下區(qū)(SVZ區(qū))和海馬齒狀回顆粒下區(qū)(SGZ區(qū))，這兩個區(qū)域存在著活躍狀態(tài)的NSCs，激活后可分化產(chǎn)生神經(jīng)細胞；而大腦其他結(jié)構(gòu)中則存在著休眠狀態(tài)的NSCs，這些細胞在一定條件下可激活，這些激活后的NSCs可增殖分化成為新的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞[6]。NSCs存在于高度特異的微環(huán)境中，這些微環(huán)境在發(fā)育和成年過程中具有區(qū)域和成分上的差異[7]。這些微環(huán)境由許多細胞和細胞外成分組成，如室管膜細胞、脈管系統(tǒng)、細胞外基質(zhì)蛋白、可溶性因子、星形膠質(zhì)細胞、小膠質(zhì)細胞和周細胞[8-10]。這些細胞與細胞的相互作用、自我調(diào)節(jié)(如轉(zhuǎn)錄因子)及細胞因子(如形態(tài)因子、生長因子、神經(jīng)遞質(zhì)、激素、信號分子)的釋放都能夠影響NSCs的增殖與分化[9]。NSCs的多能性、無限增殖能力、遷移能力及修復(fù)損傷腦組織的能力受這些細胞因子的影響。

NSCs在腦損傷治療中有指導(dǎo)性的關(guān)鍵特征是指在一定條件下NSCs可以從聚集處移動到指定的區(qū)域(如損傷區(qū)域)。據(jù)估計，成年的嚙齒動物每天有30 000個神經(jīng)細胞產(chǎn)生[11]，這些神經(jīng)細胞在腦中快速移動(30～122μm /h)很長的距離。在嚙齒動物中NSCs每天移動5mm，猴子可達到20mm[12-14]。NSCs的遷移與血管和成熟的星形膠質(zhì)細胞有非常重要的關(guān)系，這些血管和細胞組成的結(jié)構(gòu)被稱為星形膠質(zhì)細胞隧道或膠質(zhì)管，膠質(zhì)管被證明是引導(dǎo)NSCs遷移的支架[12]。

2 NSCs與TBI

近年的研究顯示，腦損傷后神經(jīng)組織的慢性炎癥是阻礙NSCs遷移、增殖、分化的主要原因。Obora等[15]通過表達NSCs中的miRNA-155，從而抑制了NSCs增殖分化相關(guān)的蛋白(Msi1、Hes1和Bmi1)，進而抑制了NSCs的增殖分化。有研究顯示成人室管膜下區(qū)NSCs可在一定條件下快速增殖分化和自我更新[6]?；贜SCs無限的增殖分化特點， NSCs移植成為治療腦損傷以及神經(jīng)退行性疾病的新方法。 然而目前的問題是移植后的存活率并不高，且移植后的分化方向無法控制[16]。

近年，NSCs定向分化方面的研究有了很大的進展。Shirazi等[17]研究發(fā)現(xiàn)，1,25-二羥維生素D3增強NSCs增殖和少突膠質(zhì)細胞分化。有研究發(fā)現(xiàn)腦室-室下區(qū)(LVCP)除了執(zhí)行重要的穩(wěn)態(tài)支持功能外，還分泌促進純化靜止和活化的V-SVZ干細胞因子以及傳遞擴增細胞聚集形成和增殖的因子。LVCP是將生理變化轉(zhuǎn)化為直接影響NSCs行為的分子信號的關(guān)鍵部位。

NSCs移植目前已經(jīng)開始應(yīng)用于臨床實驗。Mazzini等[18]已經(jīng)在老年癡呆患者的研究發(fā)現(xiàn)NSCs移植可以減慢病情發(fā)展。有研究發(fā)現(xiàn)NSCs移植可以減少阿爾茨海默病轉(zhuǎn)基因小鼠的神經(jīng)炎癥反應(yīng)[19]。然而這項研究最初的重點在于使用NSCs來替換退化的神經(jīng)元，但最近的研究表明NSCs介導(dǎo)的神經(jīng)營養(yǎng)素的變化是影響治療效果的主要原因[20]。在NSCs移植對TBI的研究中，國外已通過單細胞轉(zhuǎn)錄術(shù)證明了休眠的NSCs在腦損傷時被激活[21]。國外臨床實驗發(fā)現(xiàn)NSCs移植可改善TBI后的認知障礙，這可能與抑制創(chuàng)傷性腦損傷大鼠模型的凋亡、凋亡抑制基因(Bcl-xL)上調(diào)和神經(jīng)功能恢復(fù)有關(guān)[22-23]。最近有研究顯示，硫酸軟骨素糖胺聚糖基質(zhì)、甲氧基歐芹酚(Osthole)、銀杏內(nèi)酯B在TBI后可促進NSCs的維持和神經(jīng)保護[24-26]。而EphrinB3蛋白則會引導(dǎo)創(chuàng)傷性腦損傷后內(nèi)源性NSCs的遷移[27]。Zamproni等[28]通過向TBI的損傷區(qū)注射含有基細胞衍生因子(SDF-1)的納米顆粒，發(fā)現(xiàn)其可刺激NSCs發(fā)生聚集。

Ahmad等[29]通過轉(zhuǎn)錄抑制因子Capicua調(diào)控NSCs的增殖分化。也有研究顯示腦脊液流量可調(diào)節(jié)NSCs增殖[30]。Ziegler等[31]研究發(fā)現(xiàn)胰島素和促生長因子(IGF)受體在NSCs中起著維持細胞穩(wěn)定的作用。Lange等[32]的研究發(fā)現(xiàn)選擇性干擾血管特異性Gpr124零胚的腦血管新生，阻止了低氧的緩解，以犧牲分化為代價增加了NSCs的增殖，通過提供氧氣可能調(diào)節(jié)NSCs代謝，因此完好的血管功能是促使大腦皮層中產(chǎn)生有效分化的NSCs所必需的。在成熟細胞向NSCs的誘導(dǎo)方面，有研究發(fā)現(xiàn)通過信號定向轉(zhuǎn)錄激活將成纖維細胞逆分化成NSCs[33]。

而近期有研究顯示，雌二醇對NSCs的增值分化也有一定影響。一定濃度的苯甲酸雌二醇能夠促進培養(yǎng)基培養(yǎng)的NSCs增殖和分化，使NSCs更多地向神經(jīng)元分化。實驗者發(fā)現(xiàn)苯甲酸雌二醇處理NSCs后,細胞活性明顯升高,并且神經(jīng)元特異性核蛋白(NeuN)陽性細胞所占比例升高,而神經(jīng)膠質(zhì)纖維酸性蛋白(GFAP)細胞陽性的比例下降。雌二醇還可促進膠質(zhì)源神經(jīng)營養(yǎng)因子受體α1 (GFRα1)、神經(jīng)膠質(zhì)源神經(jīng)營養(yǎng)因子(GDNF)、轉(zhuǎn)染重排蛋白(Ret)的表達[34]。這為雌激素聯(lián)合NSCs移植治療腦挫傷提供了思路。筆者前期研究發(fā)現(xiàn)，雌激素可通過Hippo通路作用于yes相關(guān)蛋白(YAP1)，使YAP1高表達，高表達的YAP1可明顯抑制細胞凋亡。因此推測雌激素可抑制NSCs凋亡，有利于NSCs對腦挫傷的恢復(fù)。

研究表明,中樞神經(jīng)系統(tǒng)受到損傷后，NSCs會定向遷移到損傷部位并可替代損傷的細胞，周圍的神經(jīng)元重建聯(lián)系，從而使受損腦組織得到修復(fù)。 Koch等[35]研究發(fā)現(xiàn)卷曲納米膜的維數(shù)控制著NSCs的遷移機制。 Rabenstein等[36]通過骨橋蛋白的預(yù)處理以及趨化因子受體4的阻斷，證明了骨橋蛋白可通過趨化因子受體4來調(diào)控NSCs的增殖分化。Dai等[37]研究發(fā)現(xiàn)新生成年大鼠中有一種腱糖蛋白C(TNC)，可能與NSCs分化為星形膠質(zhì)細胞有關(guān)。

3 NSCs損傷修復(fù)的可能機制

目前可能調(diào)控NSCs的細胞同路有兩個，分別是Hippo通路和Notch通路。研究發(fā)現(xiàn)， Hippo通路對NSCs的增殖、分化有著很大的影響。有研究顯示在果蠅大腦上皮中，過度活躍的Yorkie蛋白(YKI，與YAP相同)可促進神經(jīng)上皮細胞過度生長，抑制其分化；而失活的YKI則抑制其生長，促進凋亡、分化[38]。YAP蛋白在小鼠、青蛙和小雞神經(jīng)管中表達，與神經(jīng)標記物Sox2共表達。在這里，Mst1/2或Lats1/2的丟失，或YAP-TEAD的激活可導(dǎo)致神經(jīng)祖細胞的顯著擴張。分析其原因是細胞周期重啟和干細胞基因的上調(diào)，以及通過抑制關(guān)鍵基因而導(dǎo)致的分化阻滯。相反，YAP功能的喪失會導(dǎo)致細胞死亡和神經(jīng)分化[39]。

NSCs調(diào)控的關(guān)鍵信號通路之一是Notch信號通路。在小鼠中，Notch受體和通路下游成分的表達開始于胚胎8～9周的神經(jīng)管，在神經(jīng)發(fā)育過程中繼續(xù)進入額葉內(nèi)含腦室區(qū)(VZ)和SVZ[40]。從Notch突變小鼠模型中可以明顯看出Notch信號在胚胎生長發(fā)育中的重要作用。核內(nèi)重組信號結(jié)合蛋白(RBPJ)是典型Notch信號通路的轉(zhuǎn)錄因子和中心成分，其缺失導(dǎo)致E9.5位點發(fā)育受阻和胚胎死亡。RBPJ缺失的胚胎也顯示神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育遲緩[41]。同樣，Notch1缺陷小鼠在胚胎9d左右死亡，表現(xiàn)出與RBPJ突變體相似的形態(tài)學(xué)缺陷[42]。Notch1缺乏也導(dǎo)致NSCs過早停止細胞周期，這表明Notch1在通過胚胎NSCs調(diào)控神經(jīng)元分化的開始起著相當重要的作用[43]。這些研究說明了Notch信號組分在大腦NSCs維持和存活中是非常重要的。

4 展望

近年來NSCs在神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療方面的研究越來越深入，揭示了其在神經(jīng)系統(tǒng)生長發(fā)育、維持穩(wěn)態(tài)、損傷修復(fù)中的作用及機制，為神經(jīng)系統(tǒng)損傷、神經(jīng)退行性病變的治療提供了理論基礎(chǔ)。然而,NSCs神經(jīng)系統(tǒng)中的增殖分化機制仍不明確,尤其是誘導(dǎo)定向分化，很多關(guān)鍵問題仍有待解決，如在神經(jīng)系統(tǒng)損傷中如何誘導(dǎo)其定向分化成為神經(jīng)元，如何重建神經(jīng)元之間的聯(lián)系。誘導(dǎo)分化及機制的研究為其提供了新的想法，但是，利用NSCs治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病，要走的路還很遠。