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何为神经干细胞

发布时间:2020-04-16 点击量:233

一、神经系统发育与神经干细胞
神经系统的发育起始于胚胎早期的神经管和神经嵴,其中央管在发育的终末形成脑室系统和脊髓的中央管,管腔内面被覆的细胞为神经上皮(neuroepithelium),具有活跃的增殖和分化能力,在胚胎早期此区域称为脑室/脑室下区(ventricular/subventricular zone,VZ/SVZ),而在成年后则称为室管膜/室管膜下区(ependymal/subepen-dymal zone,EZ/SEZ),在神经发生(neurogenesis)过程中起着举足轻重的作用。
有关神经元和神经胶质细胞的起源,长期以来一直存在着争议,目前被大多数神经生物学家接受的是“一元论”的发生机制,即神经元和胶质细胞来源于共同的干细胞。这种干细胞由胚胎早期室管膜上皮细胞产生并具有多向分化的潜能,因此被称为多潜能神经干细胞(multipotential neural stem cell),迄今为止,多潜能干细胞的概念仍不十分确切,因此命名也尚未统一,有的学者也称之为前体细胞(precursor cell)或祖细胞(progenitor cell),总之,代表具有下述特性的一类细胞:(1)可自我复制或更新(self-renew),产生与自己相同的子代细胞,维持稳定的细胞储备;(2)处于较原始的未分化状态,无相应成熟细胞的特异性标志;(3)具有多向分化的潜能,即演变成不同成熟细胞类型的能力。
Lendahl等通过实验证明中枢神经系统内多潜能干细胞或前体细胞在胞浆内表达一种被称为巢蛋白或巢素(nestin)特异性蛋白,现已证实其属于中间丝(intermediate filament)蛋白家族,只在多潜能的神经外胚层细胞表达,随着神经上皮的分化成熟逐渐消失,其功能现在尚未完全明确,可能与其它家族成员相似,同时具有结构和信息传递的功能;通过检测巢蛋白的表达即可确定多潜能干细胞的存在。另外,利用分子水平的细胞谱系追踪技术,通过脑室内注射表达荧光蛋白或b-半乳糖苷酶(LacZ)的逆转录病毒感染SVZ区处于分裂期的细胞,可以对干细胞的增殖、移行和分化过程进行监视。通过上述方法,目前已经证实在成年哺乳类动物中枢神经系统内至少有两个区域存在着具有增殖能力的细胞,即室下区和海马结构齿状回的颗粒细胞层下区(subgranular zone,SGZ)。这两个区域原始细胞的表型目前还不清楚。
二、神经干细胞的研究方法
1.体外研究 常规分离神e799bee5baa6e58685e5aeb931333233656561经干细胞的方法是在活体动物脑内已经确定有细胞分裂的部位切取部分组织,在含有高浓度的致有丝分裂原的培养基中孵育,经过增殖后,诱导细胞向不同的子代细胞分化。分化的鉴定通过在单细胞形成子代克隆中,应用免疫细胞化学染色方法检测神经元、星形细胞、及少突胶质细胞所表达的特异性抗原。
定义一组体外培养的细胞为多潜能干细胞也存在着许多问题,其中最重要的是必须证明这些细胞具有向不同成熟细胞分化的能力。虽然现在完全可以应用特异性抗体标记神经元、星形细胞或少突胶质细胞,但是神经元的种类有数百种,若证明真正意义上的“多潜能”尚有很多的工作要做。
目前国外一些研究机构相继报道了建立干细胞系的工作,与原代培养相比,为体外观察和移植研究提供了较稳定的材料;但是应用病毒或v-myc等癌基因修饰的“永生化细胞”遗传特性改变并有继续突变的趋势,可能在移植后生成肿瘤或在分析正常基因对子代细胞分化方向时产生影响,因而其应用价值有待于进一步评价。
2.在体研究 神经元与神经胶质细胞分化的研究主要通过追踪干细胞分裂、分化后产生的细胞谱系构图(lineage
mapping)进而了解细胞发育间的“亲缘”关系。通常认为细胞发育是由其祖先和环境因素共同决定,即受细胞内外调节因素的共同调控。为进一步确定经体外培养鉴定的干细胞的分化潜能,将扩增后/或经基因修饰的干细胞移植到脑内进行观察,结果证明植入的细胞不仅可以在发育期脑和周围神经系统中广泛移行,而且向神经元和胶质细胞分化,甚至人胚胎来源的干细胞在植入成年大鼠脑内也可以分化成为神经元和胶质细胞;同时发现移植细胞分化方向似乎由其所处的局部环境而非内在的特性决定,胚胎来源的干细胞沿着宿主细胞移行并分化成为移植部位的特殊细胞类型,植入的细胞在正常发育的脑内对局部信号的适宜反应导致了这种“嵌合”现象,使其与宿主细胞很难区别。Rosario等将培养的干细胞植入基因突变致小脑前叶发育缺如的小鼠模型,发现这些细胞逐渐分化成颗粒细胞并形成小脑的内颗粒层;电子显微镜观察结果显示供体细胞分化而来的颗粒细胞与宿主苔藓纤维建立了突触联系。上述这种显著的可塑性并不局限在发育期脑内,从成年动物海马来源的干细胞也可以在植入海马后分化成为神经元和胶质细胞,与齿状回正常分化的细胞类型相似;更进一步,这些细胞在植入RMS(rostral migratory
stream)后还可以分化为嗅球神经元并具有合成酪氨酸羟化酶的能力,这种酶在正常海马细胞内是不能合成的;而在移植到成年动物正常情况下不产生神经元的部位,干细胞则不能生成神经元而是向胶质细胞分化。最令人惊讶的是Bjornson等报道从胚胎或成年小鼠脑内取得的细胞经标记后移植到放射损伤的宿主鼠体内,竟然分化为骨髓细胞、淋巴细胞以及其它原始的造血细胞,其结果提示神经干细胞的分化潜能不只局限于神经系统。在受损伤的发育期脑内,干细胞则向损伤部位移行并替代缺失的细胞。由此推测,植入的细胞在分裂增殖的同时,可能“辨别”其所处的环境,但是什么因素始动分化并决定其分化方向还有待于进一步探索,其中必然交杂着内外因素的复杂作用,供体细胞本身所具有的内在分化程序、局部环境中的神经营养因子、细胞外基质、黏附分子及细胞间的相互作用均可能参与其中。
3.影响神经干细胞增殖分化的因子 在多细胞有机体内,每一个细胞的活动均受到极其复杂的内、外环境信号之间相互作用的调控,其中生长因子可能是涉及此过程中的主要信号分子。中枢神经系统中的各种因子对发育期细胞的存活、增殖、移行和分化,成年时期功能的维持,损伤时细胞的可塑性改变,都有着非常重要的影响。其中研究中应用最多的生长因子是EGF和bFGF,已知EGF是星形胶质细胞的致有丝分裂原,在体外细胞培养中也可以促进神经存活和突起生长,Weiss等证明其对培养的干细胞有明显的刺激增殖作用,其子代细胞可向神经元、星形细胞和少突胶质细胞分化。bFGF据报道也具有相同的作用,而且在低浓度下尚有诱导干细胞向神经元分化的作用。当EGF和bFGF注射入成年鼠脑室内,EGF可强烈刺激SVZ细胞增殖,对SGZ的细胞则无作用;bFGF的作用相对较弱;但是新生鼠通过注射bFGF则可导致脑内神经元的数目增多。已经检测具有相类似作用的还有神经生长因子、血小板源性生长因子、转化生长因子、神经营养因子等,但是它们的作用机制仍不清楚。
三、神经干细胞的应用前景
1.细胞移植 以往脑内移植或神经组织移植研究进展缓慢,主要受到胚胎脑组织的来源、数量以及社会法律和伦理等方面的限制。神经干细胞的存在、分离和培养成功,尤其是神经干细胞系的建立可以无限地提供神经元和胶质细胞,解决了胎脑移植数量不足的问题,同时避免了伦理学方面的争论,为损伤后进行替代治疗提供了充足的材料。研究表明,干细胞不仅有很强的增殖能力,而且尚有潜在的迁移能力,这一点为治疗脑内因代谢障碍而引起的广泛细胞受损提供了理论依据,借助于它们的迁移能力,可以避免多点移植带来的附加损伤。另外,神经干细胞移植也为研究神经系统发育及可塑性的实验研究提供了观察手段,前文提及细胞因子参与调控神经元增殖和分化,通过移植的手段对这些因素的具体作用形式和机制进行探索,为进一步临床应用提供了理论基础。
2.基因治疗 目前诱导干细胞向具有合成某些特异性递质能力的神经元分化尚未找到成熟的方法,利用基因工程修饰体外培养的干细胞是这一领域的又一重大进展;另外已经发现许多细胞因子可以调节发育期甚至成熟神经系统的可塑性和结构的完整性,将编码这些递质或因子的基因导入干细胞,移植后可以在局部表达,同时达到细胞替代和基因治疗的作用。
3.自体干细胞分化诱导 移植免疫至今为止仍是器官或组织移植的首要问题。前文提到已经证明成年动物或人脑内、脊髓内存在着具有多向分化潜能的干细胞,那么使人们很容易想到通过自体干细胞诱导来完成损伤的修复。中枢神经系统损伤后,首先反应的是胶质细胞,在某些因子的作用下快速分裂增殖,形成胶质瘢。其实在这个过程中也有干细胞的参与,可不幸的是大多数干细胞增殖后分化为胶质细胞,什么机制控制着细胞的分化决定,确切机制尚未明了。一旦这个机制被发现,无疑对中枢神经系统损伤修复来讲是一个重大的飞跃,因为它不仅可以避免移植造成的不必要损伤,更重要的是可以避免排斥反应。体外实验已经证明某些因素的诱导分化作用,但是应用到临床尚有一段距离,可我们仍从前述成功的探索中看到希望并相信在这方面的突破即将到来。

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