神經(jīng)干細(xì)胞移植治療阿爾茲海默病的機(jī)制研究進(jìn)展

陳小坤，包新杰，高 俊，李永寧

中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院 神經(jīng)外科，北京 100730

根據(jù)發(fā)病年齡可將阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)分為兩種不同的類型:發(fā)生在65歲以后的病例被歸類為晚發(fā)AD,而發(fā)生在65歲以前的病例被歸類為早發(fā)AD,后者所占比例不到5%。盡管已經(jīng)進(jìn)行了眾多有關(guān)AD發(fā)病機(jī)制的研究,但仍缺乏有效的治療方法。既往的藥物治療包括N-甲基-D-天門冬氨酸受體拮抗劑和膽堿酯酶抑制劑,但這些藥物僅僅緩解癥狀。正在研究的較有前景的藥物有許多單克隆抗體,如aapinezumab、solanezumab、crenezuma和aducanumab[1],在這些藥物中,僅針對β樣淀粉蛋白(amyloid-beta, Aβ)的aducanumab獲得美國食品和藥品管理局(Food and Drug Administration, FDA)的批準(zhǔn)。最新的數(shù)據(jù)表明,全球認(rèn)知障礙的患病人數(shù)在2050年將增加2倍[2],進(jìn)一步了解AD潛在機(jī)制和開發(fā)新的治療至關(guān)重要。研究表明,干細(xì)胞移植可能有助于維持大腦穩(wěn)態(tài)和增強(qiáng)認(rèn)知、學(xué)習(xí)和記憶能力[3]。在AD的臨床前研究中,已經(jīng)證明移植的神經(jīng)干細(xì)胞(neural stem cells, NSCs)能夠再生受損的膽堿能神經(jīng)元,并且這些新生的功能性神經(jīng)元可以與宿主殘存的神經(jīng)元形成新的突觸連接,可能是一種潛在的減緩AD病情進(jìn)展的策略。同時(shí)研究表明NSCs移植所帶來的其他作用,如神經(jīng)營養(yǎng)支持、免疫調(diào)節(jié)和抗炎等,在阻止AD進(jìn)展方面也起著至關(guān)重要的作用。本綜述回顧了近期的臨床前研究,總結(jié)了NSCs移植在AD治療中的機(jī)制進(jìn)展。

1 AD的發(fā)病機(jī)制和病理生理學(xué)

AD的發(fā)病機(jī)制尚不明確。盡管其診斷的病理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)仍然是細(xì)胞外Aβ斑塊的形成和細(xì)胞內(nèi)過度磷酸化tau 蛋白(hyperphosphorylated tau, p-tau)的累積[1],但在基于Aβ和tau蛋白的免疫治療相關(guān)臨床試驗(yàn)結(jié)果卻不甚理想。故關(guān)于AD的發(fā)生發(fā)展可能還存在其他機(jī)制。事實(shí)上最近的研究表明,AD 的潛在致病機(jī)制可能發(fā)生在Aβ 和 tau蛋白的上游細(xì)胞水平[4]。從而產(chǎn)生了更多新的學(xué)說和猜想。

與 Aβ和tau蛋白一樣,神經(jīng)炎性反應(yīng)在AD發(fā)病機(jī)制中起著至關(guān)重要的作用。在一項(xiàng)研究中[5],對健康個(gè)體和不同年齡的AD患者大腦中的基因表達(dá)譜進(jìn)行了分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),與健康人相比,AD 患者的免疫或炎性反應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)隨年齡增加的幅度要大得多。隨著年齡的增長,大腦變得更容易發(fā)生炎性反應(yīng)過程,這可以解釋為什么衰老是AD的主要驅(qū)動(dòng)因素。一些學(xué)者認(rèn)為,衰老和與年齡相關(guān)的神經(jīng)變性(包括 AD)的特征和受損線粒體的累積相關(guān)[6]。此外還有血管假說,即血腦屏障(blood-brain barrier, BBB)的破壞導(dǎo)致神經(jīng)毒性血清蛋白積聚和突觸功能障礙,最終導(dǎo)致Aβ和tau清除缺陷[4]。全基因組關(guān)聯(lián)研究(genome-wide association studies, GWAS)已經(jīng)確定了AD的許多風(fēng)險(xiǎn)位點(diǎn)[7]。然而,即使在許多大規(guī)模 GWAS 之后,載脂蛋白E(ApoE)ε4 等位基因仍然是AD的最大遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素,相應(yīng)的結(jié)論也得到多項(xiàng)研究證實(shí)[8-10]。在過去的 5 年里,關(guān)于 ApoE 病理生理學(xué)的機(jī)制研究已經(jīng)超越了Aβ 通路,包括tau神經(jīng)纖維變性、BBB功能障礙以及小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)[11-12]。此外,神經(jīng)元膽固醇穩(wěn)態(tài)和脂肪酸代謝的異常似乎有助于誘發(fā) AD。

總的來說,上述結(jié)果表明許多病理生理過程都參與在AD的疾病發(fā)展過程中,包括神經(jīng)炎性反應(yīng)、異常小膠質(zhì)細(xì)胞激活、代謝障礙、氧化應(yīng)激等,都可能是干預(yù)的潛在目標(biāo)。目前的研究提示AD 是一種具有不同相互作用階段的復(fù)雜疾病。基礎(chǔ)研究的科學(xué)家將AD分為生化、細(xì)胞和臨床階段[4],即在觀察到認(rèn)知癥狀之前,細(xì)胞的改變會(huì)在細(xì)胞階段驅(qū)動(dòng)疾病的隱匿進(jìn)展[4, 12],在臨床前階段會(huì)發(fā)生不可逆且顯著的突觸和神經(jīng)元丟失,而一旦細(xì)胞階段的穩(wěn)態(tài)被打破,臨床階段就開始了[4]。故而從臨床前階段進(jìn)行干預(yù),可能有助于抑制AD的病情進(jìn)展。

2 神經(jīng)干細(xì)胞治療在AD中的主要機(jī)制

近年來,干細(xì)胞移植治療神經(jīng)退行性疾病越來越受到關(guān)注。干細(xì)胞移植對神經(jīng)退行性疾病發(fā)展過程中的多個(gè)環(huán)節(jié)具有干預(yù)作用,如修復(fù)受損突觸、調(diào)節(jié)炎性反應(yīng)和神經(jīng)保護(hù)等。目前,最常用于治療神經(jīng)退行性疾病的干細(xì)胞類型有NSCs、間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stromal cells, MSCs)和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)等。其中,NSCs 移植治療AD被認(rèn)為具有巨大潛力,可能在多個(gè)環(huán)節(jié)起作用,如保護(hù)毛細(xì)血管、減少Aβ 和 tau沉積、緩解炎性反應(yīng)和促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生等。盡管關(guān)于應(yīng)使用哪種干細(xì)胞治療 CNS 損傷患者的爭論仍在繼續(xù),NSCs 在治療各種臨床前神經(jīng)退行性疾病模型和分化成中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system, CNS)相關(guān)細(xì)胞的能力已被報(bào)道。事實(shí)上,NSCs 已被移植到患有肌萎縮側(cè)索硬化癥和帕金森病的患者體內(nèi),已被證實(shí)是安全的且有初步效果的[13]。NSCs是細(xì)胞移植療法的理想候選,因?yàn)樗鼈冊谡麄€(gè)分化過程中與功能性神經(jīng)元類型相對相似。由于膽堿能神經(jīng)元損傷在與AD相關(guān)的認(rèn)知和功能困難中發(fā)揮著重要作用,故利用NSCs來替代和修復(fù)受損的膽堿能神經(jīng)元,并且和原有的神經(jīng)元建立新的連接可能為AD患者提供一種新的治療選擇。

2.1 對腦血管功能的影響

許多研究證實(shí)了腦血管功能障礙與AD的關(guān)系,如血管清除Aβ 和 tau功能減弱等,然而關(guān)于 BBB 功能障礙到底是AD的結(jié)果還是始動(dòng)環(huán)節(jié)仍然存在爭論[14-15]。Aβ 可以通過BBB從中樞神經(jīng)系統(tǒng)清除到循環(huán)系統(tǒng)中[14]。因此,BBB 和腦血管系統(tǒng)的正常功能對于Aβ 的清除至關(guān)重要。此外,保護(hù) BBB 功能可能會(huì)促進(jìn)Aβ 清除以抑制 AD進(jìn)展。NSCs可以在移植前被編輯為高表達(dá)表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor, EGFR)、腦啡肽酶(neprilysin, NEP)或血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF),從而起到腦血管保護(hù)作用[14]。

2.2 減少β-淀粉樣蛋白和 tau沉積

NSCs 移植后Aβ 負(fù)荷的減少可能與降低的 β-分泌酶濃度以及更高的 NEP[14]有關(guān)。其他途徑可能包括增加小膠質(zhì)細(xì)胞募集和激活,進(jìn)而觸發(fā)免疫反應(yīng),促進(jìn)有效的Aβ 吞噬和清除[14]。研究表明,在小鼠側(cè)腦室移植人神經(jīng)干細(xì)胞(human NSCs, hNSCs)可以有效降低tau磷酸化水平,但其潛在機(jī)制仍不清楚[14]。隨著疾病的進(jìn)展,移植的神經(jīng)干細(xì)胞產(chǎn)生的神經(jīng)營養(yǎng)酶和降解酶可以防止額外的認(rèn)知能力下降。

2.3 減輕腦內(nèi)炎性反應(yīng)

年齡增長引起的慢性炎性反應(yīng)增加可能促進(jìn)AD的疾病進(jìn)展。有研究報(bào)道NSCs移植治療AD具有抗炎作用[14]。移植的NSCs已被證明可以降低促炎細(xì)胞因子,包括白介素 1(IL-1)、IL-6、腫瘤壞死因子α和前列腺素E2,以及與促炎環(huán)境相關(guān)的分子標(biāo)記,如 Toll 樣受體 4(Toll-like receptor 4, TLR-4)[16]。研究也發(fā)現(xiàn),炎性反應(yīng)減少似乎與Aβ水平無關(guān)[14]。盡管移植干細(xì)胞后小鼠腦內(nèi)炎性反應(yīng)減少和認(rèn)知功能增強(qiáng),但Aβ水平在NSCs治療后保持不變。也有其他研究得到不同的結(jié)果,提示小鼠來源的神經(jīng)干細(xì)胞可以將小膠質(zhì)細(xì)胞的狀態(tài)從促炎狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭寡谞顟B(tài),從而導(dǎo)致炎性反應(yīng)細(xì)胞因子水平的雙向調(diào)節(jié)[17]。

2.4 對神經(jīng)發(fā)生和突觸產(chǎn)生的影響

海馬體在成人神經(jīng)發(fā)生中起著至關(guān)重要的作用,并且是AD中受影響嚴(yán)重的區(qū)域之一[18]。在成年人的海馬體中,位于齒狀回(dentate gyrus, DG)顆粒下區(qū)(subgranular zone, SGZ)的神經(jīng)干細(xì)胞可以不斷產(chǎn)生新的神經(jīng)元。幸存的細(xì)胞后來整合到現(xiàn)有的神經(jīng)元回路中。成人海馬體中的異常神經(jīng)發(fā)生是AD進(jìn)展的早期重要事件。功能失調(diào)的神經(jīng)發(fā)生可能會(huì)加重神經(jīng)元對AD的易感性并導(dǎo)致認(rèn)知障礙。關(guān)于人類的神經(jīng)發(fā)生仍然存在爭論。例如,一些學(xué)者認(rèn)為,人類海馬神經(jīng)發(fā)生從童年到成年顯著下降,在成人中已檢測不到[19]。也有其他學(xué)者認(rèn)為人類神經(jīng)發(fā)生在整個(gè)衰老過程中持續(xù)存在[20]。盡管有上述爭議,刺激神經(jīng)干細(xì)胞產(chǎn)生新神經(jīng)元的能力對于AD的神經(jīng)替代療法來說仍是一個(gè)充滿希望的前景。多種分子參與了成人海馬神經(jīng)發(fā)生(adult hippocampal neurogenesis, AHN),主要有早老素(presenilin, PS1)、ApoE、淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein, APP)及其代謝物等。最近的一項(xiàng)研究表明,AHN 在神經(jīng)健康的人類中反應(yīng)活躍,但隨AD的進(jìn)展而逐漸下降[18]。受損的神經(jīng)發(fā)生似乎是AD中記憶缺陷的潛在機(jī)制。NSCs是在SGZ 中發(fā)現(xiàn)的類神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞,可以處于靜止、自我更新或增殖3種不同的狀態(tài)。例如在AD 中,若靜止的神經(jīng)干細(xì)胞覺醒,則可能會(huì)增加 AHN以減少認(rèn)知障礙。最近的研究證據(jù)表明 NSCs 在神經(jīng)發(fā)生和突觸產(chǎn)生方面具有關(guān)鍵作用[14],其合成的多種基因產(chǎn)物,包括腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)和 VEGF,它們具有旁分泌作用,可以減輕AD相關(guān)的神經(jīng)元丟失并改善認(rèn)知[14]。Blurton-Jones 等使用三重轉(zhuǎn)基因小鼠(triple-transgenic mice, 3xTg-AD)研究 NSCS 移植對AD相關(guān)認(rèn)知功能障礙的影響[21],結(jié)果表明,由 BDNF 介導(dǎo)的海馬突觸密度顯著增加導(dǎo)致了小鼠的認(rèn)知改善,而不是通過減少Aβ 和 tau沉積[21]。因此,移植的 NSCS 釋放的神經(jīng)營養(yǎng)因子可能增加了突觸密度并逆轉(zhuǎn)了認(rèn)知障礙[21]。然而,這項(xiàng)研究并沒有研究移植的 NSCs 對海馬體神經(jīng)發(fā)生的影響。

3 問題與展望

目前沒有任何可用的動(dòng)物模型能夠正確模擬人類 AD,因此,很難準(zhǔn)確研究神經(jīng)干細(xì)胞移植在AD患者中起效的具體機(jī)制。盡管干細(xì)胞療法已在動(dòng)物模型中被證明有效,但多項(xiàng)針對AD患者的臨床試驗(yàn)卻未得到陽性結(jié)果。因此,更完善的動(dòng)物或細(xì)胞模型的研究和開發(fā)是必須的。雖然神經(jīng)干細(xì)胞移植在AD的治療上具有良好的前景,但倫理、免疫排斥、基因突變和潛在的致瘤風(fēng)險(xiǎn)都是需要緊急解決的問題。目前尚無使用 NSCs 治療AD患者的臨床研究,故在NSCs被用于治療患者前還需克服眾多困難。