内源性神经干细胞修复脊髓损伤的研究与进展

国际医药卫生导报 2007年 第13卷 第02期(半月刊) 内源性神经干细胞修复脊髓损伤的研究与进展 许宏武 庄明华 汕头大学医学院第二附属医院神经外科 广东汕头 515041 摘 要 利用内源性神经干细胞治疗脊髓损伤是目前脊髓损伤治疗研究的新热点。利用各种外在刺激因素(包括外 源性信号分子、针灸、中药、高压氧等)原位诱导内源性神经干细胞增殖分化和各种来源(包括中枢神经系统、骨 髓、皮肤、脂肪等)的神经干细胞自体移植各有其优点和局限性。对内源性神经干细胞的定向分化调控是治疗的关 键问题也是目前尚未解决的难题。利用内源性干细胞治疗脊髓损伤是一个新的思路和值得研究探讨的领域。 关键词 内源性神经干细胞 脊髓损伤 原位诱导 细胞增殖 自体移植 中图分类号：R338．2 1 文献码：A 文章编号：1 007—1 24 5(2007)02—0I2卜O4 神经干细胞[ ](Neural stem cel1S，NSCs)是一 种具有自我复制和多向分化潜能的细胞。研究表明，成 年哺乳动物的脊髓[2]中也有Nscs分布。脊髓中NSCs的 发现改变了脊髓神经细胞不能再生的传统观念，为脊髓 损伤治疗的研究提供新的思路和算途径。近几年来，国 内外对NSCs治疗脊髓损伤的研究越来越热门，以期在这 个点上取得突破性的进展。NSCs可分为内源性和外源性 两大类。内源性NSCs(Endogenous，NSCs)来自受体本 身，凡是受体本身而非外界导入的NSCs都称为内源性 NSCs。内源性NSCs没有外源性NSCs带来的免疫排斥伦 理道德问题，更适合于临床运用，具有广阔的研究和应 用前景。现将车内外对利用内源性NSCs治疗脊髓损伤的 研究与进展状况综述如下。 1 原位诱导内源性NSCs增殖分化脊髓损伤‘ 成年哺乳动物中枢神经系统终生保留有处于 “静 止”状态的NSCs，当在某些因素作用下或者受一损伤 刺激时可被激活，重新进入细胞增殖周期前进一步分化 为特定功能的神经细胞。有研究者运用某些激活因子原 位诱导残留于损伤局部的NSCs分裂、分化、整合，从 而完成对脊髓损伤的修复。 1．1脊髓损伤本身的促进作用。 Al,mstrong等[3]研究发现大鼠脊髓损伤后损伤区室 管膜周围可见nesZln阳性而GFAP阴性的细胞群，损伤 区出现大量nestin和GFAP双标阳性的神经元，表明脊 髓损伤后室管膜细胞可能有增殖迁移，损伤区神经干细 胞也可能有增殖。刘海等[4 实验发现大鼠脊髓损伤后脊 髓组织中nestin阳性细胞和BrdU阳性细胞数目较假手 术组 (无脊髓损伤)显著增多，差异有统计意义，说 明脊髓损伤有促进脊髓组织中内源性NSCs增殖分化的作 用。以上观点说明脊髓损伤可以促进脊髓组织中内源性 NSCs的增殖分化，这种观点可以解释为什么成年哺乳动 物脊髓损伤后不经过治疗也能有部分神经功能恢复。 I．2外源性信号分子的作用 脑源性神经营养因子 (Brai／1-del-i ved ／1eu— r o t r o P h i C f a c t O r，BDN F)是神经营养因子 (NeurtrophiC factor，NTF)家庭中的一员，它通 过神经肽的表达来维持细胞内ca离子的稳定，并通过抗 自由基损伤、提高细胞内抗氧化酶的活性来刺激神经细 胞的修复[ 。藏大维C 等将ALZET饿药物泵导管植入脑 梗死鼠模型腰段4～5水平脑脊液中，在梗死后24h将 BDNF21入~flALZET泵中，在28d内持续缓慢释放药物，发 现治疗后鼠模型运动功能恢复、病灶周围内源性NSCs阳 性表达数量都明显高于对照组，且NSCs分化为神经元的 比例明显高于对照组，NSCs分化为星形胶质细胞的比例 侧低予对照组，说明BDNF可能通过调控内源性NSCs的 增殖分化来治疗神经系统疾病。 1．3针灸治疗的作用 已有众多研究表明，针灸能够通过刺激内源性神 经干细胞的增殖分化来治疗多种中枢神经系统疾病如： 脑出血、脑损伤、脑梗死[ 、HIE c8]等。近年来逐渐有 学者转入针灸刺激脊髓内源性神经干细胞增殖分化治疗 脊髓损伤的研究。崔晓军c刚等应用督脉电针治疗脊髓损 伤模型鼠，发现在治疗第7、l4、2l和28d后，这4个时 间段上督脉电针治疗组Nestin阳性细胞数均显著高于对 照组，且增加的阳性细胞数与神经功能的改善平行。这 些结果提示，针灸治疗脊髓损伤使神经功能在一定程度 12l 维普资讯 http://www.cqvip.com 国际医药卫生导报 2007年 第l3卷 第02期(半月刊) 上恢复的机理可能跟针灸刺激内源性神经干细胞增殖分 化有关 。 l_4祖国中药的作用 许多中药材对多种中枢神经系统疾病有猜到的治疗 作用，推测中药可能对神经干细胞的增殖分化有一定的 作用。刘柏炎flo]等用低糖低氧损伤神经千细胞在休外模 拟脑缺血损伤。给予大鼠补阳还五汤给药血清，观察到 补阳还五汤能促进你糖低氧损伤后神经干细胞的移行、 分化。李伊为口 等使用自制的龟板口服液对SCI大鼠每 天灌胃，分别在1、7、14、2l和28d五个时间段观察到 龟板治疗组脊髓Nestin阳性细胞数量均高于对照组，并 且NeStin阳性细胞数量与神经功能改善平行。 1．5高压氧的作用 高压氧治疗是神经康复中常用和有效治疗手段之 一 。 它对脊髓损伤有确切的治疗作用[ -l3]。刘海[ 等 的实验表明，大鼠脊髓损伤后，内源性NSCs发生增殖， 在高压氧的作用下。内源性NSCs的增殖得到了加强：增 殖的内源怀NSCs少部分分化为神经元(NSE／BrdU双染阳 性细胞)和星形胶质细胞 (GFAP／BrdU双染阳性细 胞)，约占BrdU阳性细胞数的5％～10％，分化为星形胶质 细胞与分化为神经元之问差异不大。这个结果提示高压 氧能够促进损伤脊髓组织内源性神经干细胞的增殖、分 化 。 2 内源性NSCs自体移植治疗脊髓损伤 提取白体神经系统中的NSCs，经过体外增殖分化 并传代后，得到大量的NSCs，可以移植到脊髓损伤局 部来修复脊髓损伤。某些自体干细胞可以在体外诱导成 为NSCs，这些NSCs也应该被认为是内源性NSCs 这 些自体干细胞诱导而成的NSCs也可以在体外增殖分化并 传代，并用于移植治疗脊髓损伤。自体移植NSCs可避 免免疫排斥反应且具有良好的生物安全性、组织相容 性，还可以避免使用胚胎神经干细胞带来的伦理道德问 题。但是自体移植NSCs需先进行体外诱导增殖，因此 也增加 了细胞污染、基因突变、细胞分化方向难以控 制等各种分险。目前可用于自体移植的NSCs主要来源 于 以下几方面 。 2．1神经系统来源的NSCs 赵新利[ 】等采用无血清培养技术，在脑损伤患者 皮质碎片中，成功的获得NSCs并大量增殖，建立了细 胞系，为自体神经干细胞移植提供了新思路。但是自 体中枢神经系统的NSCs取材可能对自体造成进一步的伤 害，因此也使得自体中枢神经系统提取NSCs培养后用 122 于自体移植治疗脊髓损伤具有一定的局限性。Pagano 等【15 采用无血清神经球悬浮培养方法从脑外伤病人嗅球 成功分离、培养出具有自我更新能力，能分化为神经元、 星形胶质细胞及少突胶质细胞的NSCs。嗅上皮和嗅球终 生维持活跃的神经细胞更新，解剖上易于达到，取材副 损伤小，是自体NSCs移植治疗脊髓损伤的可能来源。 2．2骨髓来源的NSCs 骨髓基质细胞(bone marrow stromal cells，BMSCs) 具有多向分化潜能，2000年Brazelton El~]等已成功将小 鼠BMSCs在体外诱导生成能表达神经巢蛋白的NScs，并 进～步分化成为神经胶质细胞和神经元样细胞。孟庆海 n 等进一步将骨髓来源和脑来源的NSCs移植入大鼠脑 损伤模型后，经过免疫组化发现两者在大鼠脑内具 有相似的存活和迁移能力，两者均有助于神经功能的恢 复。这为进一步进行采集白体BMSCs分化为NSCs并移植 治疗脊髓损伤提供了理化基础和新的思路。 2．3皮肤干细胞来源的NSCs 随着皮肤干细胞 (Stem Cell，skin)研究的深 入，目前研究者们发现皮肤干细胞包插 表皮干细胞、毛 囊干细胞和皮肤前体细胞三种，其中毛囊干细胞和皮肤 前体细胞就可以体外诱导成为NSCs。Gorio等[18】在体外 将皮肤干细胞诱导成神经干细胞再移植到脊髓损伤处， 结果发现这些来源于皮肤干细胞的神经干细胞有些能分 化为神经元样细胞和星形胶质样细胞，还可以分化形成 新生小血管。虽然皮肤干细胞分化为NSCs并用于治疗脊 髓损伤仍只处于实验阶段，但是皮肤千细胞具有取材广 一 、 易获取而且组织自我更新快等有点，将成为自体移 植治疗脊髓损伤乃至其他神经系统疾病的最佳侯选者之 一 。 2．4脂肪来源成体干细胞分化为NSCs 脂肪来源成体干细胞 (ADAS)是脂肪组织中，一 类多能干细胞，其在体内外特定的条件下，可分化形成 多种细胞类型，其中包括神经元样细胞和神经胶质样细 胞⋯】。ADAS细胞来源非常丰富、取材方便，可作为 组织再生工程干细胞理想的替代资源。然而应用ADAS移 植治疗脊髓损伤的研究才刚刚起步，有待进一步证明 ADAS在体外分化面来的神经元样细胞具有神经细胞的生 理功能和生化信号的传导，并且移植后能够促进脊髓损 伤动物神经系统的修复。 3 内源性NSCs的定向分化调控 研究者位发现，仅仅通过原位诱导内源性NSCs增 殖分化或自体移植内源性NSCs以期代替损伤的神经元的 维普资讯 http://www.cqvip.com 方法并不理想。内源性NSCs被激活后以及自体NSCs移 植皇，NSC S是否向所需的神经功能细胞分化直接影响 到治疗的效果。为了将业能对NSCs的分化进行调控以 使它们向所需的神经功能细胞分化，研究者深入研究 NSCs定向分化的各种因素。目前影响NSCs定向分化大 致与两方面的因素有关。一是NSCs本身产生的多种分 化调控信号和表达的转录因子即基因调控。如：螺旋一 环一螺旋 (bHLH)转录因子家族的作用是促进NS~s向 神经元分化，它们在神经元的发育和分化中其重要作用 Notch信号的作用是抑制NSCs向神经元分化，并 促进其向胶质细胞分化[z 。二是NSCs所处的微环境。 微环境是指能对NSCs产生影响的周围结构成分，包括神 经细胞、胶质细胞和细胞外基质等。其中以胞外基质中 的成分对NSCs分化的影响的研究尤为热门。如：表皮生 长因子 (EGF)和碱性成纤维生长因子 (bFGF)既能保持 NSCs的未分化状态又能在一定程度上影响它们的分化 ]；神经营养因子具有保护神经元的作用和激活体内 NSCs的作用[2 。影响NSCs的定向分化的基因调控 尚未完全明了，NSCs所处的微环境又是一个错综复杂的 因子网络，它们之问的相互影响亦有待进一步研究，所 以要做到通过基因调控和改变环境使NSCs定向分化仍有 很长的路要走 4 结论与展望 利用内源性NSCs修复脊髓损伤在动物的研究目前 已经取得一些令人欣喜的结果，当然还存在着某些缺 陷。我们可以利用外源性信号分子、中药、针灸和高 压氧等方法原位诱导内源性NSCs增殖分化并促进神经功 能的恢复，但是还存在着局部NSCs数目不足而治疗效果 欠满意的事实国；我们还可能自体移植内源性NSCs来修 复脊髓损伤，但是却存在着自体NSCs提取的危害性和 NSCs体外培养过程中受污染及难以控制其分化方向等问 题。问题的存在也为我们指明了将来进一步方向。首先， 可能会出现多种疗法并用的实验，以研究联用多种疗法 是否对NSCs的增殖有协同促进作用。比如联合内服中药 和外用针灸的方法等。第二，寻求一种即容易取材又不 会对自体造成伤害的组织干细胞诱导成为NSCs。第三， 致力于综合应用基因调控和改变微环境等多种影响因素 使NSCs定向分化为所需的各种神经功能细胞的研究，尤 其是体内的应用 另外，应用可降解的生物材料支架为 载体可以移植的NSCs提供支持、营养、引导轴突生长和 抑制胶质瘢痕的作用 ，也是一个很有前景的研究方 向。 参考文献 [1] Gage HF．Mamma1 ian neura1 stem ce1 1 s[J】． Science，2000，287(5157)：14 3 3-8 [2】Wei ss s，Dunne C，Hewson J，et a1．Mu1 tipotent CNS sten ce1i s are present in the adult mam— ma1 ian spina1 cord and ventriCH1ar ~ HrOaXis [J]．Neurosci，1996，16(2 3)：7299—309 [3]Armsttong RJ，Barker RA．Neurodegenerat ion：a failure of neuroregeneration【J】．Lancet，2001， 358(9288)：11 74—6 【4]刘海，王忠诚，安沂华，等．高压氧对犬鼠脊髓损伤 后内源性神经干细胞的诱导作用(J】．中国康复理论 与实践，2006，1 5(5)：369—71． [5】宋海涛，贾连顺，田万成，等．GDNF对脊髓前角运 动神经元的保护作用 【J】．中国自矫形外科杂志， 2002，9(2)：152-4 [6】臧大维，刘娟，左完华，等．脑源性神经生长因子促 进脑梗死后小鼠内源性神经干细胞的增殖及向神经 元分化[J】．中国临床康复，2006，10(33)：4-6 [7]李常新。黄如训，陈立云，等．电针对脑梗死大鼠神 经前体细胞增殖水平的影响【J】．中华物理医学与康 复杂志，2004，26(12)：725-8 【8]庄明华，骆健明、刘明发，等．针刺任脉、督脉及膀 胱经促进新生儿缺血氧性脑病鼠模型内神经干细胞 增殖【J]．中华神经医学发桔，2006，5(7)：686-8 [9]崔晓军，李伊为，陈东风，等．督脉电针对脊髓损伤 大鼠神经干细胞的作用[J】．解剖学研究。2002，24 (3)：1 80-3 [1 0】宴0柏炎。蔡光先．补阳还五汤对低糖低氧损伤神经干 细胞移行分化的影响⋯ ．中国药物与临床，2005，5 (3)：1 71-1 7 3 [11]李伊为。崔晓军，陈东风，等 龟板对脊髓损伤大 鼠神经干细胞的作用fJ】．神经解剖学杂志，2003， 19(3)：321-4 [1 2】Ishihara H，Kawaguchi Y，et a1．Prediction of neHro1ogiC outcome in pat ient s wi th spina1 cord injury by us ing hyperbar ic oxygen therapy [J】．Orthop Sci，2001，6(5)：385-9． 【1 3】郭根平，张谦，杨玲玲．早期高压氧治疗对脊髓损伤 患者功能恢复的影响【J】．中国康复理论与实践， 2005，11(9)：758 [14】赵新利，张新中，王仲伟，等．人成体脑度质神经干 123 维普资讯 http://www.cqvip.com 细胞系的建立及细胞体外分裂增殖特征[J]．中国I临 床康复，2005，9(46)：4—5 f1 5】Pagano SF，Impagnatiello F，Gi rel1i M。et a1 ． Isolation and characterization of neural stem cel 1 s， from the adul t human olfactory bulb [J】．Stem Cell s，2000，18(4)：295—300 【1 6】Brazel ton TR，Rossi FM，Keshet GI，et a1．From marrOW to brain：expression of neuronal pheno- type s in adul t mice【J】．Science，2000，290 (5497)：1775-9 【17】孟庆海，伦鹏，姚维成，等．骨髓来源和脑来源神经 干细胞移植治疗大鼠脑损伤的实验研究[J】．中华神 经医学杂志，2006，5(9)：898-902 【18】Gorio A，Torrente Y，Madaschi L，et aI．Fate Of autologous derma1 stem cell s transplanted into the spiHal cord after t raumatic injury (TSCI)【J】．Neuroscience。2004。125(1)：1 79—89 【1 9】Safford KM，Safford SD，Gimble JM，et al， Characterization of neuronal／g1ial differen— tiation of murine adipose-derived aduIt stro— mRi cel l s【J】．Exp Neurol，2004，187(2)：379-28 【20】Kageyama R，Ishibashi M，Takebay ashi K，et a 1． 124 bHLH transcription factots and mammalian neu— rona l different iat ion【J】．Int J Biochem Cel l Biol，1997，29(1 2)：1 389-99 【21】TaMgaki K，Nogaki F，Takahashi J，et a 1． Notchl and Notch3 instruetively restrict bFGF- responsive multipotent neural progenitot eell s to RH astroglial fatefJ】．Neuron，2001。29(I)： 45-55 【22】陈刚，雷莲，牛洪泉，等．神经干细胞定向分化调控 的研究进展【J】．中华实验外科杂志，2 005，22(1 2 1 l596-8 【23】Abe K．Therapeut ic potent ial of neurotrophic factor s and neural stem cell s against i s— chemic brain injury⋯ ．Cereb Blood Flow Metab， 2000．20(1 0)：1 393-408 【24】王霄英，倪石磊，谭可，等．用磁共振扩散张量成像 研究犬息性脊髓损伤后可降解支架及神经干细胞移 植的作用【J】．中国医学影像技术，2005，21(12)： 1 869—72 收稿日期：2 006-11-1 2 维普资讯 http://www.cqvip.com