干細(xì)胞對神經(jīng)系統(tǒng)的治療意義及應(yīng)用

最近人們對干細(xì)胞和神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生了極大的興趣，因?yàn)樗鼈兙哂衅谱g發(fā)育問題的潛力以及它們的治療潛力。在這篇社論中，我們將批判性地評估不同類型的干細(xì)胞、它們的治療意義以及它們的應(yīng)用，希望能夠?qū)@這些細(xì)胞的炒作與科學(xué)現(xiàn)實(shí)區(qū)分開來。

什么是干細(xì)胞？

干細(xì)胞最初是在血液系統(tǒng)中定義的，但最近在包括大腦在內(nèi)的許多其他部位被發(fā)現(xiàn)。這些細(xì)胞都具有自我更新和多能性1的相同特性，并且已經(jīng)針對神經(jīng)系統(tǒng)定義了各種不同類型和治療策略（表1，圖1）。

這些細(xì)胞在治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病方面受到如此關(guān)注的原因與它們有關(guān)：

1. 在培養(yǎng)中增殖的能力，并有望從有限的來源獲得大量細(xì)胞；
2. 從患者身上獲得的潛力；
3. 植入成人中樞神經(jīng)系統(tǒng)后遷移和傳播的能力；
4. 病理學(xué)領(lǐng)域的可能趨向性；
5. 使用病毒和非病毒基因轉(zhuǎn)移方法易于操作；
6. 更好地融入正常腦細(xì)胞結(jié)構(gòu)的能力，具有物質(zhì)生理調(diào)節(jié)釋放的潛力。

我們將簡要討論不同類型的干細(xì)胞以及它們?nèi)绾螒?yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病，尤其是帕金森病，因?yàn)楣J(rèn)的觀點(diǎn)認(rèn)為這是最適合細(xì)胞替代療法的疾病。

胚胎干細(xì)胞

胚胎干細(xì)胞來源于胚胎囊胚的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)，具有多能性，具有很強(qiáng)的增殖潛力，但也有發(fā)生畸胎瘤的風(fēng)險(xiǎn)。迄今為止的大部分工作都集中在小鼠胚胎干細(xì)胞上，這些干細(xì)胞可以分化成神經(jīng)元，包括多巴胺能神經(jīng)元。

胚胎干細(xì)胞已被證明在帕金森氏病的動物模型中存活并改善了行為缺陷，雖然在這項(xiàng)研究中，20%的大鼠仍然在移植部位形成了畸胎瘤。相比之下，Kim等人使用依賴于Nurr1轉(zhuǎn)染的不同方法（一種參與多巴胺能細(xì)胞分化的轉(zhuǎn)錄因子），已證明在沒有腫瘤形成的情況下具有功能功效。

人類胚胎干細(xì)胞現(xiàn)在已經(jīng)被分離出來并在培養(yǎng)中培養(yǎng)以豐富神經(jīng)元譜系，這可能通過接觸生長因子和有絲分裂原的組合來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)將這些細(xì)胞置于發(fā)育中的大鼠大腦中時，它們可以廣泛遷移并以位點(diǎn)特定的方式分化，而不會形成畸胎瘤。然而，這些細(xì)胞的安全性需要進(jìn)一步研究才能考慮用于臨床。此外，這項(xiàng)技術(shù)的敏感性和圍繞它的倫理問題使其成為細(xì)胞替代療法的一個非常有爭議的組織來源，在這方面，治療性克隆問題是一個主要問題。

成人神經(jīng)前體細(xì)胞

一個長期持有的教條是成年哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng) (CNS) 中的神經(jīng)發(fā)生不會發(fā)生，盡管現(xiàn)在有充分的證據(jù)表明情況并非如此。新神經(jīng)元在成年期來源于成年神經(jīng)前體細(xì)胞 (NPC) 群體，這些神經(jīng)前體細(xì)胞主要存在于腦室區(qū)的室管膜下層和海馬體的齒狀回中，盡管它們也可能存在于其他部位。然而，在所有這些站點(diǎn)中發(fā)現(xiàn)的NPC的行為是不同的，并且可能與他們所處的環(huán)境以及他們的內(nèi)在屬性一樣多。

例如，黑質(zhì)NPC似乎只在原位或移植到成年黑質(zhì)時分化為星形膠質(zhì)細(xì)胞，但當(dāng)它們在體外培養(yǎng)或移植到海馬體中時，它們可以形成神經(jīng)元。這些新生神經(jīng)元在成人中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的功能尚不清楚，但它們確實(shí)具有成熟神經(jīng)元的特征，具有適當(dāng)?shù)纳窠?jīng)生理學(xué)特性和整合到具有功能性突觸傳遞和行為影響的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的證據(jù)。

盡管這項(xiàng)工作大部分是在嚙齒動物身上完成的，但現(xiàn)在有證據(jù)表明成年人的海馬體中有神經(jīng)發(fā)生，細(xì)胞是從成年人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中生長出來的。因此，假設(shè)NPC本身不參與疾病過程，自體移植的潛力是可能的，并且確實(shí)已經(jīng)在一名帕金森病患者身上進(jìn)行過嘗試。

骨髓和非神經(jīng)干細(xì)胞

用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者移植的自體細(xì)胞的另一種來源是那些來自非神經(jīng)來源的細(xì)胞，包括含有一系列干細(xì)胞的骨髓。這包括造血干細(xì)胞，當(dāng)它被移植到受輻射的接受者體內(nèi)時，它可以遷移到大腦中并分化成小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞，甚至可能是神經(jīng)元。此外，還有間充質(zhì)干細(xì)胞或骨髓基質(zhì)細(xì)胞，當(dāng)它們移植到成人大腦中時能夠遷移和存活，并且可以在體外表達(dá)星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元的標(biāo)記物。

事實(shí)上，當(dāng)用多巴胺合成酶酪氨酸羥化酶轉(zhuǎn)染時，它們甚至與帕金森氏病嚙齒動物模型中的一些功能益處有關(guān)。然而，該系統(tǒng)產(chǎn)生神經(jīng)細(xì)胞的穩(wěn)健性和效率仍然很差，它對其他類型的非神經(jīng)干細(xì)胞的廣泛適用性也是如此。來自cDNA微陣列分析的一些證據(jù)表明，不同的干細(xì)胞實(shí)際上可能具有相似的表型潛力，而與來源無關(guān)。因此，從理論上講，來自非神經(jīng)系統(tǒng)的干細(xì)胞可以通過轉(zhuǎn)分化過程用于神經(jīng)細(xì)胞治療。然而，最近有人擔(dān)心這樣的過程可能是細(xì)胞融合的結(jié)果——即成體體細(xì)胞似乎可以通過與分化程度較低的細(xì)胞融合來獲得分化潛能。

胚胎神經(jīng)干細(xì)胞 (NSC)

大多數(shù)關(guān)于干細(xì)胞和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的工作都是指源自發(fā)育中胚胎神經(jīng)上皮細(xì)胞的神經(jīng)干細(xì)胞。這些細(xì)胞在體外對表皮生長因子 (EGF) 和成纖維細(xì)胞生長因子 (FGF2) 等有絲分裂原作出反應(yīng)，并且可以從大腦的任何區(qū)域擴(kuò)增細(xì)胞。

隨著發(fā)育進(jìn)展到成年期，關(guān)于NSC的起源存在相當(dāng)大的爭論，最近有人提出這些細(xì)胞也可能起源于神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。放射狀神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞通常被認(rèn)為是“支架”細(xì)胞，皮質(zhì)成神經(jīng)細(xì)胞沿著這些細(xì)胞遷移到最終目的地，之后它們分化成星形膠質(zhì)細(xì)胞。然而，最近的體外和原位研究表明，放射狀神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞可能負(fù)責(zé)新生神經(jīng)元的產(chǎn)生，以及它們在皮層內(nèi)到達(dá)最終目的地的指導(dǎo)。這種細(xì)胞類型與源自神經(jīng)上皮細(xì)胞的 NSC 的確切關(guān)系尚待闡明，盡管隨著發(fā)育時間的增加，干細(xì)胞可能具有神經(jīng)上皮細(xì)胞、放射狀神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞或最終的星形神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞特征，它們都具有相同的特征巢蛋白表達(dá)。

這些細(xì)胞的分離很復(fù)雜，因?yàn)樗鼈兊呐囵B(yǎng)不可避免地會導(dǎo)致祖細(xì)胞和干細(xì)胞的混合種群，這可以更好地描述為擴(kuò)展的神經(jīng)前體 (ENP)。此外，ENP在培養(yǎng)物中的增殖不是無限期的，因?yàn)樗坪醮嬖谝欢〝?shù)量的群體倍增——即所謂的“Hayflick 極限”，相當(dāng)于大約50次群體倍增30，之后未轉(zhuǎn)化的細(xì)胞進(jìn)入復(fù)制衰老和停止分裂。這種效應(yīng)似乎取決于物種，雖然對人類的影響大于對嚙齒動物的 ENP，但顯然對其臨床應(yīng)用具有重要意義。試圖用人類細(xì)胞來規(guī)避這個問題已經(jīng)采用了培養(yǎng)技術(shù)的修改或使用編碼永生癌基因的轉(zhuǎn)導(dǎo)載體。即使沒有腫瘤發(fā)生，這些基因操作也可能改變這些細(xì)胞的行為，因此必須謹(jǐn)慎地將這些細(xì)胞的結(jié)果外推到發(fā)育中和成人中樞神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的那些細(xì)胞。

要使ENP具有臨床價值，它們不僅需要在培養(yǎng)物中長期繁殖，而且必須能夠適當(dāng)分化，這受到內(nèi)在和外在因素（如培養(yǎng)條件）的影響。話雖如此，從生長因子反應(yīng)性ENP分化出來的神經(jīng)元在表型上通常是 GABAergic，而與在胚胎中采集細(xì)胞的物種或區(qū)域無關(guān)。因此，對于大多數(shù)疾病，尤其是帕金森氏病，有必要改變或調(diào)節(jié)它們的命運(yùn)，并且基于已知對它們的正常發(fā)育很重要的因素，已經(jīng)提出了許多用于多巴胺能神經(jīng)元生成的因素和方法（另請參見胚胎干細(xì)胞切片；見圖2）。

將ENP暴露于聲波刺猬 (Shh) 或包括nurr1在內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子已被證明可以增加從這些細(xì)胞中獲得的多巴胺能神經(jīng)元的產(chǎn)量，盡管并非所有細(xì)胞類型都對此類刺激有反應(yīng)，例如hNT神經(jīng)元。然而，在大多數(shù)情況下，只有少量此類神經(jīng)元從這些操作中出現(xiàn)，因此繼續(xù)尋找可靠的培養(yǎng)方法以獲得足夠數(shù)量的多巴胺能神經(jīng)元。

用于治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的神經(jīng)干細(xì)胞移植

移植后胚胎神經(jīng)干細(xì)胞的行為因細(xì)胞和動物模型的來源而異。就人類ENP和完整的成人大腦而言，已經(jīng)表明它們能夠在體內(nèi)在活躍的神經(jīng)發(fā)生區(qū)域（例如SVZ和海馬體）中生成神經(jīng)元，但當(dāng)放置在非神經(jīng)發(fā)生區(qū)域（例如紋狀體?；疾』蚴軗p的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的情況可能有所不同（見表1）。

帕金森病

使用人類ENP的早期移植研究顯示了一些存活率和多巴胺能分化，但數(shù)量很少。這可能與以下事實(shí)有關(guān)，即在體外，來自發(fā)育中腹側(cè)中腦的 NPC 僅在幾次分裂后就失去了自發(fā)分化為多巴胺能細(xì)胞的能力。

用于臨床移植的干細(xì)胞的基本特性

• 能夠在體外進(jìn)行克隆繁殖以確保同質(zhì)性
• 高傳代遺傳穩(wěn)定性
• 移植后在宿主腦內(nèi)的整合
• 主機(jī)電路內(nèi)的連通性
• 在受損部位遷移和植入
• 正確分化為合適的神經(jīng)細(xì)胞類型
• 功能優(yōu)勢
• 沒有副作用

因此，植入前ENP的“預(yù)分化”似乎是合乎邏輯的，并且這種方法已被Studer及其同事采用并取得了一些成功。另一種方法是采用離體遺傳技術(shù)在植入前修飾細(xì)胞以表達(dá)酪氨酸羥化酶，這再次取得了一些成功。

亨廷頓氏病

亨廷頓病的移植修復(fù)為ENP帶來了不同的挑戰(zhàn)，因?yàn)橐浦驳募?xì)胞必須同型地重建電路。迄今為止，在這種疾病中使用NSC的研究有限，但有一些證據(jù)表明人類NSC具有適當(dāng)?shù)纳窠?jīng)元分化，盡管這些細(xì)胞在修復(fù)大腦中的功能功效和連接性尚未得到證實(shí)。

腦缺血

缺血性損傷的細(xì)胞替代療法已在實(shí)驗(yàn)上顯示出一定的前景。例如，據(jù)報(bào)道，MHP36系的移植可改善嚙齒動物缺血模型的認(rèn)知缺陷。然而，這些發(fā)現(xiàn)對ENP的適用性通常是不確定的，因?yàn)槠渌愃蒲苌亩嗄芗?xì)胞系不顯示這種能力。來自人類畸胎癌細(xì)胞系的hNT神經(jīng)元也被證明可以減輕缺血動物模型的運(yùn)動和行為缺陷，盡管根據(jù)組織學(xué)發(fā)現(xiàn)很難將功能恢復(fù)歸因于回路重建。

然而，一些研究人員認(rèn)為這是足夠的數(shù)據(jù)，可以在基底神經(jīng)節(jié)卒中和由此產(chǎn)生的運(yùn)動缺陷患者中進(jìn)行臨床試驗(yàn)。令人欣慰的是，在I期研究中報(bào)告的12名患者中沒有腫瘤發(fā)生或其他不良反應(yīng)的證據(jù)，盡管由于缺乏足夠的對照組而難以解釋初步的功能和影像數(shù)據(jù)。然而，根據(jù)移植后27個月的尸檢數(shù)據(jù)，至少有一些細(xì)胞存活的證據(jù)。

脫髓鞘疾病

ENP也被認(rèn)為可以替代因脫髓鞘或髓鞘形成障礙疾病而丟失的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。整體髓鞘形成不足的動物模型（例如顫抖 (Shi) 小鼠）已被用于檢查移植的ENP對軸突進(jìn)行髓鞘化的能力。少突膠質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成分化細(xì)胞的一個非常小的組成部分，這些細(xì)胞在體外從EGF/FGF-2擴(kuò)增的ENPs27和大多數(shù)遺傳永生化干細(xì)胞系中自發(fā)出現(xiàn)。然而，當(dāng)將此類細(xì)胞移植到髓鞘缺陷環(huán)境中時，據(jù)報(bào)道少突神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞分化增加，這與一些髓鞘形成有關(guān)，在某些情況下與一定程度的功能恢復(fù)有關(guān)。

NSC作為生物活性物質(zhì)遞送載體的應(yīng)用

除了直接替換因疾病而丟失的細(xì)胞從而重建中樞神經(jīng)系統(tǒng)的潛力之外，NSCs還可以作為有效和靈活的載體，將神經(jīng)活性化合物持續(xù)、局部地輸送到大腦——例如用于神經(jīng)保護(hù)的神經(jīng)營養(yǎng)因子，或替代因單基因缺陷而丟失的蛋白質(zhì)。在大多數(shù)設(shè)想的情況下，這將涉及對NSC進(jìn)行基因工程，以指導(dǎo)和調(diào)節(jié)治療性基因產(chǎn)物的表達(dá)（離體基因治療）。

遺傳病的治療

許多罕見但具有破壞性的遺傳性神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病因可完全歸因于編碼代謝或發(fā)育關(guān)鍵酶的單個基因功能的喪失。已經(jīng)在一些原型動物模型中探索了干細(xì)胞在這種神經(jīng)遺傳退行性疾病中擴(kuò)散傳遞功能性酶的能力，例如VII型粘多糖貯積癥 (MPS VII, Morquio)。

用于神經(jīng)保護(hù)的神經(jīng)營養(yǎng)素和細(xì)胞因子

神經(jīng)元在發(fā)育過程中的分化和存活取決于它們是否獲得足夠和特定的營養(yǎng)支持，這一理解意味著已經(jīng)對許多細(xì)胞輸送系統(tǒng)進(jìn)行了檢查，包括NSC。與基于病毒載體的遞送系統(tǒng)相比，這種遞送策略很有吸引力，因?yàn)樗拗鞔竽X沒有經(jīng)過基因操作，可以防止插入突變并保留宿主神經(jīng)元的功能。此外，NSCs可以被完全表征，這樣生長因子的產(chǎn)生水平可以被標(biāo)準(zhǔn)化，最后，額外的安全特征可以被納入，例如“自殺盒”，這將允許消除細(xì)胞如果它有必要。

化療藥物

獲得足夠局部濃度的細(xì)胞毒性藥物會阻礙原發(fā)性腦腫瘤的化療?；谒麄冎暗墓ぷ鞅砻鰿17.2NSC系在成年大腦中高度遷移，Snyder及其同事逆轉(zhuǎn)錄病毒轉(zhuǎn)染該細(xì)胞系以表達(dá)抗有絲分裂化合物胞嘧啶脫氨酶。這些細(xì)胞被植入實(shí)驗(yàn)誘導(dǎo)的神經(jīng)膠質(zhì)瘤動物體內(nèi)，并且似乎優(yōu)先向腫瘤遷移，腫瘤體積縮小。同樣，同一組最近報(bào)告了一種方法，可以利用該方法作為“特洛伊木馬”，將治療性病毒輸送到腦內(nèi)腫瘤。雖然這樣的結(jié)果需要確認(rèn)和更多的表征，但它們表明某些ENP可能顯示出對病理學(xué)領(lǐng)域的趨向性，并可能用于化學(xué)療法。

藥物發(fā)現(xiàn)和治療

最后，對于對藥物發(fā)現(xiàn)感興趣的商業(yè)組織，干細(xì)胞是一個有吸引力的選擇。

結(jié)論

干細(xì)胞正在成為神經(jīng)科學(xué)最令人興奮的新領(lǐng)域之一，不僅可以揭示對正常發(fā)育的見解，還可以作為一系列神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療劑。在這兩個方面，它們將通過提供對疾病機(jī)制和治療性細(xì)胞療法的見解來影響神經(jīng)學(xué)實(shí)踐。然而，此類方法的開發(fā)需要耐心，并且從實(shí)驗(yàn)室到臨床的任何轉(zhuǎn)化都必須緩慢進(jìn)行，并以可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。如果不這樣做，不僅會損害參與此類研究的人員，而且會過早地破滅許多患者及其神經(jīng)科醫(yī)生的希望。

參考資料：

Barker RA, Jain M, Armstrong RJE, et al.Stem cells and neurological diseaseJournal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry 2003;74:553-557.

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