神經干細胞移植帕金森病：挑戰、納米技術的前景

帕金森病（PD）以黑質紋狀體多巴胺能神經元喪失為特征，是影響全世界老年人群的最主要的神經退行性疾病之一。干細胞治療治療神經退行性疾病的概念已經發展了多年，并且最近取得了快速進展。神經干細胞（NSC）具有一些關鍵特征，包括自我更新、增殖和多能性，這使它們成為一種有前途的神經退行性疾病治療劑。然而人們普遍認為，基于神經干細胞移植的治療在移植過程的每個階段都存在挑戰，包括術前細胞準備和質量控制、圍手術期程序以及術后移植物保存、依從性和整體治療成功。

因此，本綜述重點關注神經干細胞移植在治療帕金森病中的潛力。我們概述了它們在實驗研究和臨床試驗中的應用，并討論了與其應用相關的挑戰，以及神經干細胞移植治療帕金森病的優缺點。鑒于干細胞療法、基因療法和納米技術的最先進成就，我們闡明了通過開發納米干細胞療法以及使用基因工程NSC來補充每個過程的優勢的觀點。

什么是帕金森病，帕金森病的病理特征

帕金森病 (PD) 的全球患病率超過600萬，是第二常見的神經退行性運動障礙。目前，尚無緩解疾病的療法，預計PD的發生率在下一代人中將增加一倍。PD是一種與年齡相關的疾病，影響85歲以上人口的約5%。

PD的主要病理特征是存在稱為路易體的神經包涵體形式的異常α-突觸核蛋白 (ASN)，其毒性作用被認為會導致進行性變性和細胞損失。黑質致密部的多巴胺能 (DAergic) 神經元特異性地發生變性，導致黑質紋狀體系統中的多巴胺 (DA) 和其他幾種生化缺陷，從而導致運動癥狀的發展，包括運動遲緩、靜止性震顫、肌肉僵硬和姿勢不穩定。此外，其他類型神經元的喪失以及中樞、腸和自主神經系統許多部分中路易病理的存在已被證明可能導致非運動表現，例如自主神經功能障礙、嗅覺障礙和情緒， PD患者存在認知或睡眠障礙。

成人大腦中的神經干細胞和神經干細胞的替代來源

神經干細胞是中樞神經系統（CNS）的重要組成部分。在人的胚胎大腦和成年神經系統中都存在神經干細胞，并存在于兩個特定的腦區（圖1A）。齒狀回的粒下區和室下區的側壁都含有大量的成體內源性NSCs。這些細胞具有自我更新、增殖和多潛能等幾個關鍵特征，是中樞神經系統的主要組成部分，維持著神經組織的細胞池。NSCs可分化為神經元、星形膠質細胞或少突膠質細胞，可替代帕金森病中喪失的 DAergic神經元。此外，NSCs還能促進內源性修復機制，因為它們能遷移到損傷部位附近，增加神經母細胞，促進組織修復。NSCs具有免疫調節作用，如分泌細胞因子、趨化因子和趨化因子受體，抑制T細胞增殖等 （圖1B）。神經遞質、神經肽、細胞因子、代謝產物、細胞外基質蛋白和輔助細胞控制NSCs的增殖。

• A：神經干細胞（NSC）的來源是胚胎干細胞和誘導多能干細胞、成人/胎兒腦組織和脊髓組織。此外，NSC可以通過轉錄因子和生長因子從體細胞獲得。NSCs的替代來源是胎兒和成人的神經系統、臍帶血、骨髓、外周血、羊水、沃頓膠；
• B：NSCs可以具有細胞因子、趨化因子和趨化因子受體分泌以及T細胞增殖抑制等免疫調節作用。NSCs可具有神經營養作用，例如神經生長因子、神經營養蛋白-3、腦源性神經營養因子和神經膠質細胞源性神經營養因子。NSC可以通過以下途徑靶向分泌組和旁分泌效應細胞外囊泡，如外泌體。此外，NSC在神經分化中也發揮著作用。
• C：神經干細胞移植后，可以在特定的大腦部位遷移、存活和增殖。NSCs在抗凋亡、抗炎、抗氧化等腦修復機制中發揮作用。

CNS：中樞神經系統；BDNF：腦源性神經營養因子；ESC：胚胎干細胞；EV：細胞外囊泡；GDNF：膠質細胞源性神經營養因子；iPSC：誘導多能干細胞；NGF：神經生長因子；NT-3：神經營養素-3；NSC：神經干細胞；TF：轉錄因子；PD：帕金森病；TGF：轉化生長因子。

NSCs的其他來源包括胎兒和成人神經系統組織、臍帶血、骨髓、外周血、羊水、沃頓果凍、皮膚或脂肪來源的間充質干細胞或iPSCs（圖1A）。在移植過程中，這些干細胞要么在體外預分化，要么根據損傷組織中的信號將招募干細胞并誘導其原位分化的概念，在未分化狀態下直接應用NSCs。

最近，轉分化（尤其是化學誘導轉分化），通過跳過中間增殖多能干細胞階段，將體細胞重編程為患者特異性神經元細胞，為帕金森病的替代自體細胞治療策略提供了前景。通過生產所需類型的中樞神經系統細胞，這些來源都已被用來證明其治療各種神經退行性疾病的潛力。

神經干細胞移植的實驗方法

多項臨床前研究表明，不同類型的人類神經干細胞移植后，可以在特定的大腦部位遷移、存活和增殖。免疫組織化學檢查支持的證據表明，移植的人類神經干細胞可以轉化為功能性神經元并整合到神經回路中。體內研究已證明神經干細胞移植是治療帕金森病的有效方法（表格1）。

在帕金森病中使用神經干細胞的優點和缺點

注射的神經祖細胞（NPC）在大腦中積聚并與受傷區域融合；然而，只有一小部分細胞的大部分仍處于未分化狀態。組織存活的促進與mRNA和蛋白質水平的抗炎和抗凋亡作用以及生長因子分泌的增加有關（圖1C）。此外，NPC與附近的中樞神經系統免疫細胞和駐留細胞合作，調節干細胞調節劑的局部釋放，并幫助中樞神經系統損傷的功能恢復。因此，神經干細胞為受影響的神經元群體和突觸提供神經營養支持是治療PD等神經退行性疾病的一種有前景的方法。

然而安全性，包括潛在的致瘤作用，引起了人們的擔憂。此外，大腦中移植細胞的免疫排斥的復雜問題已被證明。因此，開發干細胞衍生的神經元移植療法治療帕金森病需要考慮安全性和有效性，這可以通過解決細胞類型和來源、其可重復生成、準確的移植區域和應考慮維持這些移植細胞的功能和活力。

考慮到移植安全、方案標準化和倫理方面，正在開發使用ESC和IPSC來制造 DAergic神經元的方法。

ESC是源自哺乳動物囊胚的未分化多能細胞，可以產生體內所有類型的細胞。此外，iPSC是實驗室生成的ESC的對應物，由成體體細胞生成，具有相似的特性，并且可以分化成任何其他細胞。ESC和iPSC用于全球范圍內正在進行的許多臨床試驗，并在針對特定疾病和病癥的再生醫學中具有廣泛的應用。然而，由于完成臨床試驗和發布所獲得的數據需要漫長而復雜的時間框架，這些試驗的結果并未到達普通人群。

iPSC具有一些優勢，例如直接從患者體內獲得重編程細胞，從而有可能降低傳染性感染和免疫反應的風險。此外，它們可以轉變為任何類型的細胞方法來治療帕金森病。使用iPSC治療PD在倫理上是允許的，因為患者的體細胞可以分化為多能狀態，以產生植入大腦的DAergic神經元。多項研究闡明了iPSC在再生DAergic神經元以治療PD方面的潛在作用。iPSC移植可改善PD癥狀。

盡管這些可擴展和可追溯的來源以及完善的方案和臨床前PD模型的功效使ESC和iPSC成為基于細胞的治療的有希望的候選者（表2），腫瘤發展和免疫抑制的風險尚未消除。

6-OHDA: 6-羥基多巴胺；DA：多巴胺；DAergic：多巴胺能；DAT：多巴胺轉運蛋白；DCx：雙皮質；GIRK2：G蛋白激活的內向整流鉀通道2；hMSC：人類成體 MSC；hiPSC：人類 iPSC；hPESC：人類孤雌胚胎干細胞；hNCAM：人類特異性神經細胞粘附分子；PCNA：增殖細胞核抗原；MPTP：1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶；NPC：神經祖細胞；Ki67：增殖細胞核抗原，SDF-1α：基質細胞衍生因子1α；SNpc: 黑質致密部；TH：酪氨酸羥化酶。

盡管做出了這些巨大的努力，實驗性治療方法與轉化為臨床實踐之間仍然存在差距。盡管多項臨床試驗（表3）已使用基于細胞的PD治療方法進行了研究（臨床試驗.gov；NCT03119636 、NCT05635409 、NCT02452723、NCT03815071、UMIN000033564、NCT03128450、NCT03309514、NCT01898390、NCT02795052、NCT00976430、NCT03724136、NCT03684122）目前，限制干細胞臨床應用的主要障礙主要是倫理問題、免疫反應、腫瘤發生和毒性。

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神經干細胞移植治療的前景

從上面的簡短回顧來看，基于NSC的治療出現了一些挑戰，這些挑戰可以在神經外科手術的每個階段識別，包括術前細胞準備和質量控制、圍手術期程序以及術后移植物保存、依從性和整體成功率。

治療術前階段必須對相關細胞進行嚴格的質量控制和安全評估。此外，細胞劑量、病例選擇和遞送途徑也是細胞療法臨床應用的前提條件。接受NSC產品治療的患者面臨與給藥方法、藥物免疫和過敏反應、腫瘤發展、功能破壞的異位神經元分化以及病毒和微生物污染相關的安全問題的風險。因此，基于細胞的療法的根本問題是，在進入臨床之前，必須根據體外和體內良好生產規范法規對可移植細胞群進行分化和表征。總之，細胞來源是神經干細胞移植治療帕金森病時必須考慮的一個重要問題，因為治療疾病需要高濃度的NSCs。

為了促進NSC的行為，開發了培養表面的制造。在這種情況下，納米材料以其納米尺寸、獨特的物理化學性質和表面功能化的能力，為設計操縱細胞行為提供了潛力。使用基于生物相容性納米材料的支架制造細胞外基質，并具有模擬體內微環境的拓撲結構似乎是一種有前途的策略。如（圖2）。

• 術前準備：納米材料具有小尺寸、獨特的理化性質和表面功能化能力，為設計操縱細胞行為提供了潛力。一種有前途的策略是用生物相容性納米材料支架制造細胞外基質，并具有模擬微環境的拓撲結構。
• 術前階段：能夠抑制氧化應激、神經炎癥和有毒蛋白質聚集的納米材料可以作為生物活性納米藥物，解決帕金森病細胞療法的局限性。此外，“智能”納米藥物輸送系統通過靶向配體并控制釋放生長因子等負載分子來實現功能，旨在支持和擴展干細胞以進行腦修復。
• 在術后階段：納米材料，憑借其獨特的光學特性、細胞攝取、表面功能化和良好的生物相容性，它們是細胞跟蹤和成像的有希望的候選者。

近年來，研究人員為了解決基于細胞的帕金森病療法的局限性。將納米療法與干細胞療法相結合的策略顯示出治療帕金森病的潛力。因此，在三甲基誘導的大鼠神經退行性病變模型中，從人類嗅球分離出的干細胞與碳納米管（CNTs）共同接觸，恢復了認知障礙和神經退行性病變。此外，碳納米管通過刺激分化為神經元而非神經膠質細胞，為移植的神經干細胞提供支持。在術后階段，監測注射/移植的細胞對于優化神經外科手術至關重要。納米材料具有獨特的光學特性、細胞吸收、表面功能化和良好的生物相容性，是細胞追蹤和成像的理想候選材料（圖2）。

干細胞和基因療法的發展進步創造了新的機遇。干細胞和基因療法的結合可能是一項技術突破，可以提高干細胞的治療效果。工程細胞過表達參與DA合成或神經營養因子的基因可能會增加其功能并解決分化和生存問題，從而提高基因治療的功效。考慮到細胞療法的安全性，可以對細胞進行重新編程，以避免盡可能多的副作用，包括免疫反應和腫瘤。

納米聯合干細胞治療面臨的挑戰

納米干細胞療法可能面臨許多挑戰，主要與納米粒子的安全性有關，包括潛在的細胞毒性以及對干細胞分化和生物降解性的未知影響。要了解細胞與納米材料的相互作用機制、NPs的生物轉化及其對細胞功能的影響，還有很大的研究空間，因此控制納米細胞療法的安全性和有效性具有挑戰性。由于NPs的活性在很大程度上取決于其尺寸、結構、形狀和表面化學性質，而且與細胞類型有關，因此應解決與組織工程中三維納米結構的合成、生物功能化、表征和定制方法有關的幾個問題。

鑒于納米技術的挑戰和最先進的成就，它有望促進帕金森病納米干細胞療法的發展。最近合并的多功能納米診斷方法為干細胞有效治療腦癌提供了支持。

結論

PD嚴重影響社會，因為它帶來了日益沉重的社會經濟負擔，而目前尚無治療方法。本綜述中討論的研究顯示了基于NSC的PD治療潛力（圖1C）。盡管神經干細胞在治療這種神經退行性疾病方面展現出巨大的前景，但它們也引起了人們的嚴重擔憂。它們可能會形成腫瘤，這是一種比帕金森病更具破壞性的疾病。此外，免疫排斥、倫理問題、有限的細胞來源以及與成熟為所需神經元細胞類型和適當分化的技能相關的并發癥是進一步研究促進神經干細胞移植治療帕金森病的重要原因。

目前，將包括基因工程細胞在內的干細胞療法與納米技術方法相結合，優勢互補，為改善治療方案和療效提供了新的見解。納米干細胞療法治療神經退行性疾病的安全性和有效性是研究熱點。人們相信，未來新型納米材料的進步必將使神經干細胞移植的療法受益于該技術。

總之，盡管仍然存在各種障礙和挑戰，未來運用納米技術結合干細胞療法治療帕金森病。顯然，其從實驗室實驗階段到臨床應用階段的不斷完善和發展是必要的。

參考資料：Oz T, Kaushik A, Kujawska M. Neural stem cells for Parkinson’s disease management: Challenges, nanobased support, and prospects. World J Stem Cells. 2023 Jul 26;15(7):687-700. doi: 10.4252/wjsc.v15.i7.687. PMID: 37545757; PMCID: PMC10401423.

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