神经干细胞的研究及其应用新进展

1992年，Reynolds[1]首次成功地从成年小鼠纹状体中分离出神经干细胞（neuralstemcell,NSC），于是“神经干细胞”这一概念被正式引入神经科学研究领域。可以为具有分化为神经元、星形细胞和少突胶质细胞的能力，能自我更新并足以提供大量脑组织细胞的细胞。不少中还提到神经祖细胞和神经前体细胞，目前认为，神经祖细胞是指比NSC更有明确方向的细胞，而神经前体细胞是指处于发育早期的增殖细胞，可指代NSC和神经祖细胞：与NSC相比，二者的分裂增殖能力较弱而分化能力较强，是有限增殖细胞，但三者均属NSC范畴。1.NSC的起源、存在部位及生物学特征中枢神经系统的发育起源于神经沟、神经嵴、神经管；研究发现，NSC在神经管壁增殖，新生细胞呈放射状纤维迁移至脑的特定位置；主要存在于室管膜区，在成脑生发区以外的区域也广泛分布，即具有高度可塑性的神经前体细胞。现发现NSC的生物学特征为：（1）具有自我更新能力；（2）具有多向分化潜能，可分化为神经元、星形细胞和少突胶质细胞；（3）处于高度未分化状态；（4）终生具有增殖分化能力，在有损伤的局部环境信号变化的刺激下可以增殖分化。其中（1）和（2）是NSC的两个基本特征。2.NSC的基础研究进展NSC的增殖和分化调控是目前NSC研究的核心问题，最近的研究资料显示，NSC的增殖、分化、迁移调控受多种相关因素的影响。2.1神经递质神经递质作为细胞外环境的一员，不仅介导神经元之间和神经元与效应器之间的信号传递，还参与NSC的增殖和分化。这些神经递质包括谷氨酸（G1u）、5-羟色胺（5-HT）、GABA、甘氨酸（G1y）、乙酰胆碱（Ach）一氧化氮（NO）、肾上腺素与性激素等。2.1.1G1u：在脑的发育过程中有高含量的G1u表达，Haydar等[2]发现，G1u可以通过大鼠胚胎皮质AMPA/KAR的激活调节室周区前体细胞的增殖，但GLU对室管膜区（SZ）和室管膜下区（SVZ）体内细胞的影响是不同的，它可增加SZ细胞的增殖，减少SVZ细胞的增殖；GLU还可促进神经元生长和分化。2.1.25-HT：许多研究表明[3]，5-HT在皮质发育、突触形成中起重要作用，抑制5-HT合成或选择性损伤5-HT神经元则引起齿状回及脑室下区神经元增殖活性下降，5-HT可促进胶质细胞分化和髓鞘形成。2.1.3GABA：GABA是成体脑发育过程中主要的抑制性神经递质。Haydar等[2]发现，GABA受体的激活可控制神经前体细胞的细胞周期；Stewart等[4]研究发现，GABA和G1u对脑内不同区域细胞增殖的影响是不同的，内源性GABA激活GABA受体在新皮质和调节神经前体细胞增殖方面起重要作用。2.1.4G1y及其它：G1y受体（G1yR）通过增加突触后细胞膜C1-通透性而起突触后抑制作用。Flint等[5]发现，G1yR在胚胎大鼠和初生早期脊髓中为未成熟迁移和分化的神经元中起重要作用，推测G1yR信号可能在突触形成中其重要作用；Ach可通过α-7样烟碱乙酰胆碱受体激活导致新生大鼠嗅球原代培养细胞神经突起过度生长，相反，Ach可抑制胚胎小鼠脊髓神经元的神经突起生长。有资料显示，NO作为CNS的神经递质广泛参与神经细胞的存活、分化和可塑性的发生。而肾上腺素和性激素则可使新生小鼠齿状回新生细胞数量减少。2.2细胞外基质细胞外基质（ECM）是组成间质和上皮血管中基质的不溶性结构成分，主要有胶原蛋白、弹性蛋白、蛋白多糖和糖蛋白等。研究表明，ECM可影响细胞分化、增殖、黏附、形态发生和表型表达等生物学过程。NSC具有位置特异性的分化潜能，其增殖、分化和迁移与ECM有非常密切的关系。2.2.1B-链蛋白：新近资料表明，NSC与ECM的黏附功能可以调节细胞的生长和增殖。NSC中的B-链蛋白和Tcy/Lef转录因子家族参与了细胞的成活、增殖和分化。Chenn等[6]发现，在NSC中稳定表达B-链蛋白的转基因小鼠，其发育的大脑皮质表面积增大，沟回变深而宽，类似高级哺乳动物的皮质；侧脑室腔变大，与之相邻的脑室壁有大量增生的细胞；并且其大部分NSC在有丝分裂后可重新进入细胞周期，说明过度表达B-链蛋白并不破坏神经细胞正常发育分化，皮质的扩大是由于NSC增殖所致，提示B-链蛋白与NSC增殖有关。2.2.2Ree1in：Ree1in是ECM中分子质量为400×103的蛋白质，与神经细胞表面的整合素受体α3亚基、极低密度脂蛋白和载脂蛋白E相结合，触发Dab-1胞液蛋白的衔接功能。在皮质发育过程中的神经元以及脊髓节前神经元迁移中起重要作用。2.2.3细胞黏附因子：细胞黏附因子是一种影响干细胞行为的重要信号蛋白，包括整合素和黏合素等。研究表明，ECM中的整合素在调控NSC增殖、分化和迁移方面有重要的作用。脑内整合素与配体的相互作用促进了神经细胞的迁移，神经突起过度生长和少突胶质细胞髓磷脂膜的形成，在可塑性过程的成体突触结构形成中也起重要作用。黏合素家族中的TN-C在早期发育的中枢神经系统中广泛表达，但在分化过程表达下降；成脑受伤后，TN-C表达上调，提示TN-C在提高中枢神经系统功能和可塑性方面有重要作用。Garcion等[7]用基因敲除TN-C的方法，发现小鼠少突胶质前体细胞向视神经方向迁移增加，但在各脑区的增殖率下降。2.2.4细胞生长因子：NSC的增殖和分化还受多种细胞生长因子的调控，如成纤维的细胞生长因子（FGF）和表皮生长因子（EGF）等。FGF有三种受体，FGFR1、FGFR2和FGFR3，发育早期FGF在胎脑内进行增殖或神经发生的区域内表达，成年脑内在相应的神经发生区内也有FGF的持续表达，提示FGF在调节NSC增殖中发挥重要作用，EGF在发育脑和成年脑内均有表达，神经元和星形胶质细胞均可表达EGF。2.2.5糖蛋白：糖蛋白家族包括层黏蛋白（LM），纤维连接蛋白（FN）和腱蛋白（TN），LM为基底膜的构成成分，可促进细胞黏附，调节细胞形态、分化及细胞迁移等；FN具有形成ECM，促进细胞黏附、伸展、迁移、吞噬及血液凝固等多种生物学作用；TN有促进细胞黏附，促进或抑制细胞增殖和迁移等多种作用，并有拮抗FN的细胞黏附作用。Takano等[8]新近发现，FN对小鼠神经脊细胞中黑色素细胞的增殖、分化和迁移有重要作用。而Chipperfield等[9]则发现，ECM中硫酸乙酰肝素葡糖胺聚糖（HS）可促进FGF-1对成体NSC的有丝分裂作用。2.3基因调控2.3.1Notch基因：Notch信号通路对于决定胚胎发生、造血和NSC分化起着至关重要的作用，当Notch被激活，干细胞进行增殖，当Notch活性被抑制，干细胞进入分化程序，发育为功能细胞。Tanigaki[10]等发现，Notch在成体NSC发育为胶质细胞中起着重要作用，表达NotchIC明显增加星形细胞分化，减少神经元和少突胶质细胞的产生。2.3.2bHLH基因：bHLH基因具有高度同源性，是发育过程中转录的重要组成部分，广泛参与神经和肌肉、细胞增殖分化、细胞谱系决定和性别决定等生理过程。bHLH基因在神经上皮细胞发育为神经元中起关键并激活下游作用，可促进细胞脱离细胞周期，使细胞游离出皮质，并激活下游特定神经元分化的遗传基因表达。2.3.3同源盒基因：同源合基因在生物进化中有高度保守性，对下游靶细胞具有调节作用。同源盒基因目前有Hox、Pax和Lim等几大类；目前认为，Hox的表达与中枢神经在发育中的分区有关，为不同神经元的发育提供位置特征；Pax的早期表达与神经发育过程中空间和时间的局限性有密切关系；Lim绝大多数在特定的神经元亚群中表达，参与特定神经元的发育。Galli等[11]发现，成体哺乳动物室周区的NSC表达同源盒基因Emx2分化成神经元和胶质细胞时Emx2基因表达明显下调；然而，Emx2表达停止后，NSC对称分化为两个干细胞的频率增加，随着Emx2表达的增加，这种对称分化能力逐渐降低。2.3.4Nestin基因：Nestin属于中间丝蛋白家族，存在于分裂的NSC中，成熟神经元和胶质细胞不表达，被选作NSC的识别物，通过检测Nestin的表达即可确定多潜能干细胞的存在。3.NSC的应用研究进展随着对NSC了解的不断深入，国内外家积极开展对NSC的临床应用研究。表现如下：