神经干细胞在神经退行性疾病中应用的困难及前景

神经干细胞在神经退行性疾病中应用的困难及前景 神经干细胞在神经退行性疾病中应用的困 难及前景 (海南医学)2oo7年第18卷第9期 文章编号:l0o3—6350(20o7)o9—121—04 神经干细胞在神经退行性疾病中应用的困难及前景 邓晓东,徐小龙,王翱综述,应奇审校 (中国人民解放军第4l1医院神经外科,上海200081) 综述 摘要随着年龄的增长,大脑侧脑室的室下带及海马齿状回产生新的神经能力却在下降,其机制现在不是 很清楚,可能是与成人大脑老化过程中内部的一些改变有关.成人大脑与婴幼儿大脑相比,其神经发生的能力显 着下降,而老化的大脑内部结构功能的改变及有害产物增加,信号转导通路异常等一系列的内环境的改变都抑 制了神经的发生,退行性疾病则更加剧了这种抑制效应.这也致使神经于细胞移植在治疗神经退行性疾病的应 用中受到限制.在神经干细胞移植治疗取得成功之前.必须清楚认识成人大脑,老化大脑和退行性病变的大脑内 部的一系列变化过程及其对神经干细胞的影响作用.鉴于这一点.本文将着重介绍近几年对成人大脑及病变大 脑内神经干细胞生物学特性的最新研究成果,和神经干细胞对神经退行性疾病的治疗进展. 关键词神经干细胞:成年大脑:神经退行性疾病 中图分类号:R651文献标识码:A 七十岁之前大脑能够维持其完好 的功能.但随着年龄的增长,DNA损伤 的累积,蛋白变性及其他疾病使神经退 行性疾病变得更加常见.如阿尔茨海默 病(AD),帕金森病(PD).AD和PD都以 在大脑特定区域进展性神经元丢失为 特征.最近几年发现在幼年及成年大脑 的特定区域都有神经发生,这些持续的 神经发生受到外源性神经因子的影响. 也可以通过移植外源性神经干细胞 (1leura[stemcells.NSCs)补充神经的丢 失.这就给干细胞治疗神经退行性疾病 提供了可能性.但是在自然老化过程中 成人大脑内细胞水平和分子水平的改 变使干细胞移植的成功性变得复杂.在 老化的过程中,正常成人大脑的神经生 成能力下降了.这表明老化的过程本身 就阻碍神经发生,也使干细胞的移植变 得复杂化另外有证据表明与年龄相关 的神经退行性疾病,其自身功能的紊乱 也引起了干细胞功能异常.本文将讨论 神经干细胞及其对年龄相关的神经退 行性疾病治疗的潜在疗效以及在这过 程中所面临的问题. l成年大脑的老化 1.1老化大脑的结构功能改变 伴随着大脑的老化,其功能进展性 丢失.内部结构也发生了改变.这一过程 可以分为两个阶段,第一阶段被称为原 发性老化即:在没有疾病状态下大脑功 作者简介:邓晓东(1977一O1),男,四川省大竹县人,医师. 能逐渐地丧失.第二个阶段被称为继发 性老化即:老化相关地紊乱所导致的大 脑功能进展性地障碍和丧失例如AD和 PD.在中枢神经系统原发性老化通常伴 随着形态学和神经连接的改变从而引起 功能的异常01,有前纹状体系统的缩小. 并以多巴胺,去甲肾上腺素,5一羟色胺的 减少为特征脚.在无其它疾病的情况下大 脑的许多区域有中等量的神经元的丢失 [31 .尸检表明人在四十岁以后每十年大脑 的重量和体积就减少大约5%,许多区域 发生了萎缩,如前脑皮质问,纹状体[51,中 脑的一些结构(比如蓝斑,黑质)fq.额叶 皮质突触密度的降低.树突的萎缩和扩 张.胶质细胞的反应都促进老化过程中 5HigginsJN,GillardJH.OwlerBK,eta1.MR venographyinidiopath2icintraeranialhypertension: Unappreciatedandmisunderstood叨.JNeurol Neun~urgPsychiat~.200435(4):6212625. 6LekerRR.SteinerI.Featuresofduralalnus thro~issimulatingPesudotumoureerebri叨EurJNeuro1. 1999,6(5】:6012604. 7OppenheimC.DomigoV.GauvritJY.eta1. Subarschnoidhemorrhage118theinitialpresentationofdural sinusthrombosis叨.AjNRAmJNeuroradiol, 2005,26(3):6142617. 8J.KIMBER.Cerebralv~noussinusthrombosis.QJ Med.2002.95:137—142. 9明树红.齐增飞.王鲁宁等.Deepcerebralvenous thrombosisinadu1.ChineseMediealJournaL 2002.115:395—397. 10高萍.刘强.郭新霞.尿激酶治疗脑静脉赛血栓形成 15例报告.拼宁医学院.2005.28:78. 11PhflipsMF.BeylJ,SinsonGP.eta1. Endovaseulttrthrombolysisforsymptomaticcerebralvenous thrombosis0]JNem'osurg,1999.90(1):65—71. ? 121? 《海南医学)2oo7年第l8卷第9期 大脑结构的改变. 1.2老化大脑的内环境改变 中枢神经系统的老化常伴随大量 细胞分子水平上的改变,如氧化应激水 平的提高,蛋白质和DNA的氧化损伤 (损害细胞的代谢),脂肪和蛋白质等副 产物(如脂褐索褐和糖代谢的终产物) 的累积[81.大量信号传导通路的改变影 响了神经递质和生长因子的分泌从而 损害了神经的兴奋性和可塑性,这些改 变通常本身不造成神经退行性变.而是 形成了一个许可环境,在这个环境中神 经元容易退变[91. 1-3内环境改变对NSCs的影响 神经细胞代谢稳定,DNA和蛋白质 的完整性及线粒体的功能健全在维持神 经功能起到极其重要的作用.突触密度 减少.对蛋白质和DNA的氧化损害增加 以及其它老化大脑的改变都有助于神经 退行性病变.嗅球和海马中干细胞的增 值和分化对维持神经正常功能起到重要 作用[to1.在这里讨论老化大脑中一些对 于细胞影响的因素. 目前认为,在老化大脑的神经发生 区新生神经元减少,具体的机制现还不 甚清.C神经生成的减少也许是因为增 殖减少,静止期的神经干细胞的增多, 新生神经元死亡增加所致,或是这些因 素的综合作用.并不是神经干细胞本身 的原因导致神经生成减少而是它们所 处在的环境变化引起的,比如性激素的 减少.而雌激素和睾酮能够促进神经干 细胞的增殖和正调节新生神经元的存 活率【l1_131;又如生长因子的改变,已知有 几种生长因子影响神经细胞的增殖和 存活,如BDNF,胰岛索样生长因子1 (IGF一1),而它们随着老化而减少.已经 发现在老鼠及灵长目动物的大脑中 BDNF及其受体和Trkb与年龄相伴减 少【l41.神经系统通过调节神经因子信号 而对应激反应的能力随着年龄增长而 降低.生长因子的受体数量和或敏感性 也同时显示有所改变.如老化大脑的海 ? 122? 马对基本的成纤维细胞生长因子(basi fibroblastgrowthfactor.BFGF)反应性降 低?.因此老龄化的大脑与婴幼儿的大 脑相比有着不同的内环境,在内部信号 传导类型和强度以及对这些信号的反 应性方面都有所不同1 2大脑的退行性疾病 2.1大脑退行性疾病的内环境的 改变 就像成人大脑疾病相伴的改变影响 神经元和胶质细胞一样,这些影响因素 也影响着NSCs的增殖,分化,存活,这也 被越来越多的证据所证明.与对照组相 比PD病人有多种生长因子的减少,最明 显的是胶质源性神经营养因子(GDNF), 其次是纤毛神经营养因子(CNTF),脑源 性神经营养因子(BDNF)和生长因子受 体Trka.正常成人大脑BDNF的水平本 来就很低.在疾病状态下又减少了很多, 这显着地降低了新生神经元地存活率. 这些神经因子调节神经干细胞活性一个 或多个方面.因此退行性疾病时这些神 经因子的减少有助于神经发生的减少 ?较少的证据表明神经干细胞对氧化 应激敏感,而氧化应激通常是神经退行 性疾病舶产物,氧化应激被怀疑是异体 干细胞移植后细胞死亡的主要原因.在 神经退行性疾病时肽功能的改变使神经 干细胞对损伤和或死亡更加敏感.AD病 人产生过量的AI3肽并抑制神经祖细胞 的生长f】41.神经祖细胞ps一2基因调节区 突变致使ps一2(雌激素调节蛋白)表达水 平增高.使干细胞对IL-II3和AIM一42敏 感性增高.已知这两个分子促经AD病 人的神经元损伤.Ps一2的过度表达有 助于AI3肽生成.AI3肽被认为引起培养 基中人神经干细胞凋亡的原因. 2.2常见的退行性疾病 年老的大脑更容易发生许多种神经 变性性疾病,其中最常见的是阿尔茨海 默病(AD),帕金森病(PD).AD病人常有 认知和记忆能力的丧失,这是海马,大脑 皮质,杏仁体神经退行性病变的结果. PD的病人常有黑质多巴胺能神经元的 丢失而引起运动障碍. 在AD模型的老鼠大脑中,人脑内 突变的B淀粉样蛋白前体过度表达,导 致病人在学习和记忆方面的缺陷fl司. 12—14月龄的AD模型老鼠的大脑齿状 回中有大量的B淀粉样蛋白沉淀,与对 照组相比AD模型老鼠齿状回中5-BR- DU标记的细胞减少了55%嘲.另外5一 Bfu)U标记的细胞没有神经标志物说明 B淀粉样蛋白直接影响NSCs增殖和分 化.也有证明表明B淀粉样蛋白减少了 起源于人脑海马的NSCs的增殖及向神 经元分化?.但是最近的数据表明神经 细胞标记物dcx,psa—ncam,和tuc一4在 AD病人的海马中都升高了,重要的是 dcx和tuc一4同时在齿状回的颗粒下层, 神经结细胞层和海马脚都有高度表达, 这些是AD的主要病变部位,这提示 AD可导致海马区细胞的死亡增加,但同 时代偿性的神经生成也增加了. PD模型的老鼠有几种方法获得.包 括用6一羟基多巴胺(6一OHDA)或1一甲 基一4,苯基一1,2,3,6一四氢嘧啶(MPrP) 损害大脑的黑质.在这两个模型中,靠近 已被损害的黑质侧的SVZ中细胞增殖都 增加了,此外,在动物模型上发现同时注 入转化生长因子(t仅)后新生的神经母 细胞迁移到纹状体并形成新的神经元 p--l[ .这些数据说明6-OHDA引起的纹状 体的损伤刺激SVZ祖细胞的增殖,如果 给予合适的环境指引线索,这些新生的 细胞就能够迁移到损伤区并分化为神经 元. 3干细胞治疗神经能退行性疾病 3.1面临的困难 如前文所述,成人大脑与婴幼儿大 脑相比,其神经发生的能力显着下降,而 老化的大脑内部结构功能的改变及有害 产物增加,信号转导通路异常等一系列 的内环境的改变都抑制了神经的发生. 退行性疾病则更加剧了这种抑制效应. 成人大脑,老化大脑和退行性病变的大 <海南医学)2oo7年第l8卷第9期 脑内部的一系列变化过程及其对NSCs 影响的作用的机制现在还是不很清楚. 以及移植的NSCs能否形成有功能的神 经元或能否为已存在的神经元或NSCs 提供营养支持也不是很清楚C6768,这 些因素都为NSCs治疗神经退行性疾病 带来了困难. 3.2治疗策略 目前,AD和PD病人药物治疗的长 期效果并不是很理想.尽管老化大脑内 存在有害内环境,但动物模型的初步研 究表明,神经干细胞移植到正常的老化 大脑能够促进其丢失功能的恢复.人类 胎儿神经干细胞移植到24个月大的老 鼠的侧脑室后.通过水迷宫试验发现老 鼠的记忆力得到了提高阎.尽管移植干 细胞替代已丢失或损害的细胞存在许多 潜在的障碍,但这些方法已经在动物模 型中取得一定的成功,如移植传代的干 细胞能够促进PD及中风模型动物的生 理学和行为学功能的恢复. PD动物模型的研究表明,移植到损 伤大脑的外源性神经干细胞可以成功地 生成新的有功能的神经链接,更重要的 是这些试验表明:PD模型动物的运动功 能得到了恢复『141.所以,干细胞移植治疗 神经退行性疾病是一项很有前景治疗方 案.常见的三种NSCs治疗为:1)植 入外源性干细胞;21通过以植人的神经 干细胞为载体而植入神经生长因子;31 激活内源性神经干细胞的生长. 当机体不能够生成新的细胞代替坏 死组织时.可以移植外源性的细胞.这种 方法要取得成功,移植的细胞必须:1)移 植后能够成活;2)能够迁移到需要其替 代的地方;3)分化为所需要的细胞;4)与 宿主组织有功能的连接起来.由于大脑 内各种神经元之间联系的错综复杂性致 使神经干细胞移植比肝干细胞,造血干 细胞移植复杂多了.在大脑的衰老的过 程中促进细胞增殖,分化,存活的生长因 子和活细胞素的减少,而对于疾病状态 的大脑.由于疾病病理过程造成的有害 环境和神经退行性病的破坏性使得情况 更加复杂,这些因素使得情形复杂化,也 是移植干细胞到成人大脑中最大的困难 所在.最常用的方法是先在培养基中增 值足够数量的干细胞然后移植.一旦移 植到损伤的大脑后干细胞能够远距离迁 移嘲,并能够在宿主内分化合适的细胞, 但是在干细胞移植成为的治疗方案 前仍有很多的问题有待解决.细胞一旦 移植后很难调控其最终的分化表型.在 一 些情况需要特定的细胞.这就需要植 人专能的干细胞而不是多能干细胞.总 的来说.有目的选择一定谱系的干细胞 有助于增加细胞移植的成功率. 移植能够分泌营养因子的NSCs,也 同样具有治疗前景.最显着的是在PD 的动物模型中NSCs分泌的GDNF具有 神经保护作用.最近发现把GDNF注 入到PD病人的壳核后,病人的功能得到 明显的恢复嘲. 第三种方法是激活内源性的NSCs 生长并代替丢失或损害的细胞.在成人 大脑中促进神经发生是有可能的,众多 研究已经表明:通过锻炼,注人生长因 子,调节激素水平可以促进神经的生 成.但是还没有证据证明在海马的前侧 脑室和sgl以外的地方有大规模的神经 生成,因此激活内源性的神经生成不适 用于大规模细胞移植治疗.检测生成的 细胞对丢失功能的是否有促进恢复作 用也同样重要.行为调节,饮食调节及 分子调节能够促进神经的生成,但是很 难评估疗效是神经生成增加的结果抑 或是其他原因,如突触密度的提高,神 经细胞的凋亡等f. 4结论 神经干细胞应用于治疗神经退行性 疾病,为退行性病变大脑的功能恢复提 供了治疗前景,但是退行性病变的大脑 本身的结构功能改变及其内环境的改 变,限制了神经干细胞的治疗作用.认清 楚成人大脑内环境的改变过程,退行性 病变大脑的内环境变化的机制,这些环 境对神经干细胞的作用,这将大大提高 神经干细胞治疗神经退行性疾病的应用 前景.随着人们对于这方面的研究越来 越关注及这方面研究的深入,神经干细 胞能够更有效地用于神经退行性疾病的 治疗. 参考文献 1LimkeTkRalMS.Neuralstemceilsin丑gingand disease.JCellMal,Med,2OO2,6(4):475-96. 2Davatzlkos,C.,Resnick,ShL,2002Dage~erative agechangesinwhitematterconnectivityvisualized invivotmingmagneticr~ons/lceimaging.Cereb Cortex,12,767—771. 3KemperT.,Neuroanatomicalandneuropatholagi- calchangesduring丑gingandindementia.In:A1- bertM..KnoepfelJ.,eds.,ClinicalNeurologyof Aging,OxfordUniversityPress,NewYork,1994,3— 67. 4LingZ…DPotterE.D,LiptonJ.,eta1.Differen- tiationofmesencephalicprogenitorcellsinto dopaminergicnellro/18byeytokines.Exp.Neurol, 1998.149:4l1—423. 5RtaN.TortesIJ..AekerJ.D..Age.gender,and— hemisphericdifferencesinhumanatrlatttm:aquan一 血ativerevlewandnewdatafrominvivoMRIrllol~ phometry.Neumhia1.Learn.Mem.,1995.63:133— 142. 6NeeperS.A..Gomez-PinillaF..ChoiJ.,etal Pbv8alactivityincre~esmlhNAforhraindefived- neurotrophicfactorandnervegrowthfactorinrat brain,BrainRes..1996.726:49-56. 7Mom~n.J.H..Hof,P.R..Lifeanddeathofneuror~ intheagingbrain.Science.1997.278,412-419. 8MattsonM.P..PedersenW.A.Duan.elaLCel- lularandmolecularmechanismsunderlyingper- turbedenergynmtabol/smandneuronaldegeneration inAlzheimer'sandParkinson'sdiseases.Ann.N. 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