干細胞對神經系統疾病的治療意義及應用

干細胞對神經系統的治療意義及應用

最近人們對干細胞和神經系統產生了極大的興趣，因為它們具有破譯發育問題的潛力以及它們的治療潛力。在這篇社論中，我們將批判性地評估不同類型的干細胞、它們的治療意義以及它們的應用，希望能夠將圍繞這些細胞的炒作與科學現實區分開來。

什么是干細胞？

干細胞最初是在血液系統中定義的，但最近在包括大腦在內的許多其他部位被發現。這些細胞都具有自我更新和多能性1的相同特性，并且已經針對神經系統定義了各種不同類型和治療策略（表1，圖1）。

疾病	干細胞所需的主要功能
細胞置換
帕金森病	黑質紋狀體多巴胺神經元
亨廷頓氏病	氨基丁酸能紋狀體投射神經元
阿爾茨海默氏癥（和其他癡呆癥）	彌漫性神經元替代，包括基底前腦膽堿能替代
多系統萎縮 (MSA)	黑質紋狀體和紋狀體輸出神經元
海馬損傷（如全腦缺血）	海馬神經元，尤其是CA1的神經元
局灶性缺血損傷	需要廣泛的表型；取決于網站
創傷性腦損傷	需要廣泛的表型；取決于網站
脊椎損傷	投射神經元（谷氨酸）；髓鞘再生
肌萎縮側索硬化癥	更換阿爾法運動神經元
多發性硬化癥和其他脫髓鞘疾病	通過少突膠質細胞進行髓鞘再生
給藥
癲癇	本地氨基丁酸
慢性疼痛	鎮痛化合物，如甲氧腦啡肽和內啡肽
遺傳缺陷，例如	代謝酶
????粘多糖病VII	????β-葡萄糖醛酸酶
????泰-薩克斯病	????β-氨基己糖苷酶A
腦內惡性腫瘤	抗有絲分裂藥；修改過的病毒
“生長因子反應條件”	支持不同的神經元群體

這些細胞在治療神經系統疾病方面受到如此關注的原因與它們有關：

1. 在培養中增殖的能力，并有望從有限的來源獲得大量細胞；
2. 從患者身上獲得的潛力；
3. 植入成人中樞神經系統后遷移和傳播的能力；
4. 病理學領域的可能趨向性；
5. 使用病毒和非病毒基因轉移方法易于操作；
6. 更好地融入正常腦細胞結構的能力，具有物質生理調節釋放的潛力。

我們將簡要討論不同類型的干細胞以及它們如何應用于神經系統疾病，尤其是帕金森病，因為公認的觀點認為這是最適合細胞替代療法的疾病。

胚胎干細胞

胚胎干細胞來源于胚胎囊胚的內細胞團，具有多能性，具有很強的增殖潛力，但也有發生畸胎瘤的風險。迄今為止的大部分工作都集中在小鼠胚胎干細胞上，這些干細胞可以分化成神經元，包括多巴胺能神經元。

胚胎干細胞已被證明在帕金森氏病的動物模型中存活并改善了行為缺陷，雖然在這項研究中，20%的大鼠仍然在移植部位形成了畸胎瘤。相比之下，Kim等人使用依賴于Nurr1轉染的不同方法（一種參與多巴胺能細胞分化的轉錄因子），已證明在沒有腫瘤形成的情況下具有功能功效。

人類胚胎干細胞現在已經被分離出來并在培養中培養以豐富神經元譜系，這可能通過接觸生長因子和有絲分裂原的組合來實現。當將這些細胞置于發育中的大鼠大腦中時，它們可以廣泛遷移并以位點特定的方式分化，而不會形成畸胎瘤。然而，這些細胞的安全性需要進一步研究才能考慮用于臨床。此外，這項技術的敏感性和圍繞它的倫理問題使其成為細胞替代療法的一個非常有爭議的組織來源，在這方面，治療性克隆問題是一個主要問題。

成人神經前體細胞

一個長期持有的教條是成年哺乳動物中樞神經系統 (CNS) 中的神經發生不會發生，盡管現在有充分的證據表明情況并非如此。新神經元在成年期來源于成年神經前體細胞 (NPC) 群體，這些神經前體細胞主要存在于腦室區的室管膜下層和海馬體的齒狀回中，盡管它們也可能存在于其他部位。然而，在所有這些站點中發現的NPC的行為是不同的，并且可能與他們所處的環境以及他們的內在屬性一樣多。

例如，黑質NPC似乎只在原位或移植到成年黑質時分化為星形膠質細胞，但當它們在體外培養或移植到海馬體中時，它們可以形成神經元。這些新生神經元在成人中樞神經系統中的功能尚不清楚，但它們確實具有成熟神經元的特征，具有適當的神經生理學特性和整合到具有功能性突觸傳遞和行為影響的神經元網絡的證據。

盡管這項工作大部分是在嚙齒動物身上完成的，但現在有證據表明成年人的海馬體中有神經發生，細胞是從成年人的中樞神經系統中生長出來的。因此，假設NPC本身不參與疾病過程，自體移植的潛力是可能的，并且確實已經在一名帕金森病患者身上進行過嘗試。

骨髓和非神經干細胞

用于神經系統疾病患者移植的自體細胞的另一種來源是那些來自非神經來源的細胞，包括含有一系列干細胞的骨髓。這包括造血干細胞，當它被移植到受輻射的接受者體內時，它可以遷移到大腦中并分化成小膠質細胞、星形膠質細胞，甚至可能是神經元。此外，還有間充質干細胞或骨髓基質細胞，當它們移植到成人大腦中時能夠遷移和存活，并且可以在體外表達星形膠質細胞、少突膠質細胞和神經元的標記物。

事實上，當用多巴胺合成酶酪氨酸羥化酶轉染時，它們甚至與帕金森氏病嚙齒動物模型中的一些功能益處有關。然而，該系統產生神經細胞的穩健性和效率仍然很差，它對其他類型的非神經干細胞的廣泛適用性也是如此。來自cDNA微陣列分析的一些證據表明，不同的干細胞實際上可能具有相似的表型潛力，而與來源無關。因此，從理論上講，來自非神經系統的干細胞可以通過轉分化過程用于神經細胞治療。然而，最近有人擔心這樣的過程可能是細胞融合的結果——即成體體細胞似乎可以通過與分化程度較低的細胞融合來獲得分化潛能。

胚胎神經干細胞 (NSC)

大多數關于干細胞和中樞神經系統的工作都是指源自發育中胚胎神經上皮細胞的神經干細胞。這些細胞在體外對表皮生長因子 (EGF) 和成纖維細胞生長因子 (FGF2) 等有絲分裂原作出反應，并且可以從大腦的任何區域擴增細胞。

隨著發育進展到成年期，關于NSC的起源存在相當大的爭論，最近有人提出這些細胞也可能起源于神經膠質細胞。放射狀神經膠質細胞通常被認為是“支架”細胞，皮質成神經細胞沿著這些細胞遷移到最終目的地，之后它們分化成星形膠質細胞。然而，最近的體外和原位研究表明，放射狀神經膠質細胞可能負責新生神經元的產生，以及它們在皮層內到達最終目的地的指導。這種細胞類型與源自神經上皮細胞的 NSC 的確切關系尚待闡明，盡管隨著發育時間的增加，干細胞可能具有神經上皮細胞、放射狀神經膠質細胞或最終的星形神經膠質細胞特征，它們都具有相同的特征巢蛋白表達。

這些細胞的分離很復雜，因為它們的培養不可避免地會導致祖細胞和干細胞的混合種群，這可以更好地描述為擴展的神經前體 (ENP)。此外，ENP在培養物中的增殖不是無限期的，因為似乎存在一定數量的群體倍增——即所謂的“Hayflick 極限”，相當于大約50次群體倍增30，之后未轉化的細胞進入復制衰老和停止分裂。這種效應似乎取決于物種，雖然對人類的影響大于對嚙齒動物的 ENP，但顯然對其臨床應用具有重要意義。試圖用人類細胞來規避這個問題已經采用了培養技術的修改或使用編碼永生癌基因的轉導載體。即使沒有腫瘤發生，這些基因操作也可能改變這些細胞的行為，因此必須謹慎地將這些細胞的結果外推到發育中和成人中樞神經系統中發現的那些細胞。

要使ENP具有臨床價值，它們不僅需要在培養物中長期繁殖，而且必須能夠適當分化，這受到內在和外在因素（如培養條件）的影響。話雖如此，從生長因子反應性ENP分化出來的神經元在表型上通常是 GABAergic，而與在胚胎中采集細胞的物種或區域無關。因此，對于大多數疾病，尤其是帕金森氏病，有必要改變或調節它們的命運，并且基于已知對它們的正常發育很重要的因素，已經提出了許多用于多巴胺能神經元生成的因素和方法（另請參見胚胎干細胞切片；見圖2）。

將ENP暴露于聲波刺猬 (Shh) 或包括nurr1在內的轉錄因子已被證明可以增加從這些細胞中獲得的多巴胺能神經元的產量，盡管并非所有細胞類型都對此類刺激有反應，例如hNT神經元。然而，在大多數情況下，只有少量此類神經元從這些操作中出現，因此繼續尋找可靠的培養方法以獲得足夠數量的多巴胺能神經元。

用于治療神經系統疾病的神經干細胞移植

移植后胚胎神經干細胞的行為因細胞和動物模型的來源而異。就人類ENP和完整的成人大腦而言，已經表明它們能夠在體內在活躍的神經發生區域（例如SVZ和海馬體）中生成神經元，但當放置在非神經發生區域（例如紋狀體。患病或受損的中樞神經系統的情況可能有所不同（見表1）。

帕金森病

使用人類ENP的早期移植研究顯示了一些存活率和多巴胺能分化，但數量很少。這可能與以下事實有關，即在體外，來自發育中腹側中腦的 NPC 僅在幾次分裂后就失去了自發分化為多巴胺能細胞的能力。

用于臨床移植的干細胞的基本特性

• 能夠在體外進行克隆繁殖以確保同質性
• 高傳代遺傳穩定性
• 移植后在宿主腦內的整合
• 主機電路內的連通性
• 在受損部位遷移和植入
• 正確分化為合適的神經細胞類型
• 功能優勢
• 沒有副作用

因此，植入前ENP的“預分化”似乎是合乎邏輯的，并且這種方法已被Studer及其同事采用并取得了一些成功。另一種方法是采用離體遺傳技術在植入前修飾細胞以表達酪氨酸羥化酶，這再次取得了一些成功。

亨廷頓氏病

亨廷頓病的移植修復為ENP帶來了不同的挑戰，因為移植的細胞必須同型地重建電路。迄今為止，在這種疾病中使用NSC的研究有限，但有一些證據表明人類NSC具有適當的神經元分化，盡管這些細胞在修復大腦中的功能功效和連接性尚未得到證實。

腦缺血

缺血性損傷的細胞替代療法已在實驗上顯示出一定的前景。例如，據報道，MHP36系的移植可改善嚙齒動物缺血模型的認知缺陷。然而，這些發現對ENP的適用性通常是不確定的，因為其他類似衍生的多能細胞系不顯示這種能力。來自人類畸胎癌細胞系的hNT神經元也被證明可以減輕缺血動物模型的運動和行為缺陷，盡管根據組織學發現很難將功能恢復歸因于回路重建。

然而，一些研究人員認為這是足夠的數據，可以在基底神經節卒中和由此產生的運動缺陷患者中進行臨床試驗。令人欣慰的是，在I期研究中報告的12名患者中沒有腫瘤發生或其他不良反應的證據，盡管由于缺乏足夠的對照組而難以解釋初步的功能和影像數據。然而，根據移植后27個月的尸檢數據，至少有一些細胞存活的證據。

脫髓鞘疾病

ENP也被認為可以替代因脫髓鞘或髓鞘形成障礙疾病而丟失的神經膠質細胞。整體髓鞘形成不足的動物模型（例如顫抖 (Shi) 小鼠）已被用于檢查移植的ENP對軸突進行髓鞘化的能力。少突膠質細胞構成分化細胞的一個非常小的組成部分，這些細胞在體外從EGF/FGF-2擴增的ENPs27和大多數遺傳永生化干細胞系中自發出現。然而，當將此類細胞移植到髓鞘缺陷環境中時，據報道少突神經膠質細胞分化增加，這與一些髓鞘形成有關，在某些情況下與一定程度的功能恢復有關。

NSC作為生物活性物質遞送載體的應用

除了直接替換因疾病而丟失的細胞從而重建中樞神經系統的潛力之外，NSCs還可以作為有效和靈活的載體，將神經活性化合物持續、局部地輸送到大腦——例如用于神經保護的神經營養因子，或替代因單基因缺陷而丟失的蛋白質。在大多數設想的情況下，這將涉及對NSC進行基因工程，以指導和調節治療性基因產物的表達（離體基因治療）。

遺傳病的治療

許多罕見但具有破壞性的遺傳性神經系統疾病的病因可完全歸因于編碼代謝或發育關鍵酶的單個基因功能的喪失。已經在一些原型動物模型中探索了干細胞在這種神經遺傳退行性疾病中擴散傳遞功能性酶的能力，例如VII型粘多糖貯積癥 (MPS VII, Morquio)。

用于神經保護的神經營養素和細胞因子

神經元在發育過程中的分化和存活取決于它們是否獲得足夠和特定的營養支持，這一理解意味著已經對許多細胞輸送系統進行了檢查，包括NSC。與基于病毒載體的遞送系統相比，這種遞送策略很有吸引力，因為宿主大腦沒有經過基因操作，可以防止插入突變并保留宿主神經元的功能。此外，NSCs可以被完全表征，這樣生長因子的產生水平可以被標準化，最后，額外的安全特征可以被納入，例如“自殺盒”，這將允許消除細胞如果它有必要。

化療藥物

獲得足夠局部濃度的細胞毒性藥物會阻礙原發性腦腫瘤的化療。基于他們之前的工作表明C17.2NSC系在成年大腦中高度遷移，Snyder及其同事逆轉錄病毒轉染該細胞系以表達抗有絲分裂化合物胞嘧啶脫氨酶。這些細胞被植入實驗誘導的神經膠質瘤動物體內，并且似乎優先向腫瘤遷移，腫瘤體積縮小。同樣，同一組最近報告了一種方法，可以利用該方法作為“特洛伊木馬”，將治療性病毒輸送到腦內腫瘤。雖然這樣的結果需要確認和更多的表征，但它們表明某些ENP可能顯示出對病理學領域的趨向性，并可能用于化學療法。

藥物發現和治療

最后，對于對藥物發現感興趣的商業組織，干細胞是一個有吸引力的選擇。

結論

干細胞正在成為神經科學最令人興奮的新領域之一，不僅可以揭示對正常發育的見解，還可以作為一系列神經系統疾病的治療劑。在這兩個方面，它們將通過提供對疾病機制和治療性細胞療法的見解來影響神經學實踐。然而，此類方法的開發需要耐心，并且從實驗室到臨床的任何轉化都必須緩慢進行，并以可靠的實驗數據為基礎。如果不這樣做，不僅會損害參與此類研究的人員，而且會過早地破滅許多患者及其神經科醫生的希望。

參考資料：

Barker RA, Jain M, Armstrong RJE, et al.Stem cells and neurological diseaseJournal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry 2003;74:553-557.

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