神经干细胞的生物学特性及意义

神经干细胞是指一类具有向多个 细胞系 分化 ( 神经元 细胞 及胶质 细 胞 ) , 同时 又 有 自我 更 新 的 细胞 。干 细 胞 ( stem cell, SC) 的定义多年 来不 断修正 , 大 多数 生物学 家和 医学 家认 为干 细胞是一类具有自我更新与增殖分化 能力的 细胞 , 能产生 表现 型与基因型和 自己 完 全相 同的 子 细胞 , 同 时 还 能分 化 为祖 细 胞。已往研究表明 , 成年的 哺乳 动 物的 神经 元缺 乏再 生能 力 , 造成其中枢神经系统损伤后的恢复相 当困难 , 也是 临床上 治疗 神经创伤及 神经变 性难 以取得 满意 效果 的主 要因 素之 一。近 年来对神经干 细胞 的 研究 , 已 经 从胚 胎及 成 年 的脑 组 织中 分 离、 纯化出神经干细胞。神经干细 胞不仅 能促进神 经元的 再生 及脑组织的 修复 , 而且通 过基 因操作 , 神 经干 细 胞可 以作 为载 体用于神经系统疾病 的基 因治 疗 , 如表 达外 源性 的神 经递 质、 神经营养因 子及代 谢性 酶 [ 1] 。本文 就多 能性 神 经干 细胞 在脑 中的分布、 生物学特性及其临床应用前景作一 综述。 1 多能性神经干细胞在脑中的分布区域 以往的发生生 物学 观点 看来哺 乳动 物和 人 的脑 细胞 发育 成熟 , 神经细胞就 不再进 行增 殖和分 化 , 只有 细 胞的 逐步 退化 和死亡。一经受损就 永远不能再 生新的神 经元。然 而 , 近 来报 道中枢神经系统部分细胞具有自我修 复和增 殖、 分 化为三 种类 型成人脑细 胞的能力 , 即 : 星 状细 胞 , 寡树 突胶 质细 胞 ( 两 者均 属胶质细胞 ) 和 神经 元 [ 2] 。这些 细 胞显 然符 合干 细胞 的定 义 , 因此称为神经元干细 胞 ( neural stem cell, NSC) 。在 成脑的 脑室 和脑室下区 ( ventricular and subventricular zones, VZ and SVZ) 及脑 室周边的室管膜 下区 ( subependymal zone) 都发 现 和分 离出 在离 体培养时能 扩增产 生神 经球的 神经 远祖 细胞。 离体 培养 分离 的神经球的细胞 , 它 们是 非均 一的 , 有 神经 元、 星状 细胞 、 少突 胶质细胞及神经远祖细胞自身 [ 1~ 3] 。继续培养其中的神 经远祖 细胞 , 还能再生成含有各种神经 细胞及 其自身 的神经 球。神经 远祖细胞可以增殖和分化出各种神经 细胞并 维持自 身的传 代 , 这与骨髓中终身都能 制造 出各 种血细 胞的 造血 干细 胞十 分相 似 , 因而将这类多能性且不对称 增殖的 细胞称 神经干 细胞。含 有神经干细胞的 脑组织 称之 为∀ 脑髓# 。脑髓 中 除含 有神 经干 细胞外 , 还有由干细胞分化出来较 为定向 的有增殖 和分化 能力 的神经祖细胞 [ 4] 。现已 从成脑 的若干 区域 中分离 出神 经干 祖 细胞。 在胚胎脑发育 过程 中存 在着有 增殖 和分 化 能力 的胚 胎远 祖细胞即神 经干细胞 , 通 过脑 室纤毛 状室 管膜 细胞 的增 殖、 分 化和迁移 , 使脑发育成熟。成体脑 中周边 脑室的室 管膜下 区包 括室管膜的细胞中 , 存在着有增殖 能力的 胚胎神经 元祖细 胞的 后代。用免疫荧光标记后 , 在活体 中可清 晰地看到 增殖的 细胞 从脑室迁移到嗅球的轨迹 , 这种多 能性细 胞是周边 脑室的 室管 膜细胞 [ 5] , 但 亦 有 实 验 说 明 它 们 是 室 管 膜 下 的 B 型 星 状 细 胞 [ 6] , 这些多能性的干细 胞 祖细 胞离 体培养 可传 40 代仍 保持 干细胞的特征。这些细 胞在 成体 脑中的 微环 境 与它 们在 胚脑 中的微环境有相似性但也有明显不同。因而 深入研究脑发育过
收稿日期! 2002- 03- 16 作者简介! 高梁武 ( 1963- ) , 男 , 河南 人 , 博士 , 副主 任医师 , 主要 从事脊柱外科方面的研究 , Tel: ( 020) 81292150。
中国临床解剖学杂志 2002 年第 20 卷第 5 期
生长因子不是维持神经干细胞的唯一 因子 , 碱性成 纤维生 长因 子 ( FGF 2) 能够直接刺激神经干细胞的增殖 与分化 , 胚胎鼠的海 马、 脊髓、 及嗅球 组织在 FGF 2 的作用下 , 均能 够诱导产生 多潜 能的神经干细胞 [ 10, 11] 。然而 , 关 于 EGF 与 FGF 2 对 神经干 细胞 的存活、 增殖与分 化的 作用机 理目 前尚 未明 了 , H. Meltzer 等通 过培养胎鼠的神经干细胞比较 EGF 与 FGF 2 的作用 环节 , 发现 单独用 EGF, 可 使干细 胞 nestin 阳 性表达 延长 , 而单独 用 FGF 2 可致 MAP 2 阳性表达细胞增加 , 因此推测 FGF 的主要作 用是维 持神经干细胞的生存 , 而 FGF 2 对 神经干 细胞的分 化起重 要作 用 , 此外 , 在神经干细胞 的分 化过 程中 , 还 有很 多神 经因 子 ( 如 血小板生长因子 , 转化生长因子等 ) 起着协同作用 [ 12, 13] 。 神经干细胞的 来源 除了 从胚胎 或成 熟的 中 枢神 经系 统中 培养、 增殖 , 还可通过基因操作使胚胎 神经干 细胞获 得永生 化 , 常用的方法是通过逆 转录 病毒 将编码 癌基 因蛋 白的 基因 克隆 到胚胎神经 干细胞中 , 改 变细 胞的表 型 , 使部 分 细胞 渡过 细胞 分裂的危险期 ( crisis period) 而获永 生化 [ 14] , 应用 最广泛的 是 V myc, large T 抗原 , 尤其是将含有 发生等 位基因突 变的 large T 抗 原基因转导 于胚胎 神经 干细胞。 此方法 获得 的 永生 化细 胞有 以下优点 : ( 1) 它们在体外可以自我更新 , 并能大量增殖。 ( 2) 能 通过基因操作使细胞稳定地表达报告 基因及 治疗基 因、 有 利于 体内跟踪研究。( 3) 可以分离出单个细胞克隆。 ( 4) 通过加入了 外源基因而获得的永生化细胞 , 在 体内仍 然能象干 细胞一 样具 有多相潜能分化 , 并可以分化为终末细胞。 最近有报道将 V myc 癌基 因转 导成 年的 哺乳 动物 的海 马 神经元中 , 并以 抗四 环素 基因 启动 子启 动 V myc 的 表达 , 获得 永生化的细胞株 , 增加四环素的浓 度可以 使永生化 细胞停 止增 殖 , 而进一步分化为神 经元和 胶质 细胞 [ 15] , 由 于永生 化的 细胞 可以携带外源性基因 , 这对于神经 疾病的 基因治疗 带来新 的希 望 , 虽然在体外从胚胎及成年哺乳 动物的 中枢神经 系统中 已经 分离培养出神经干细胞 , 但是成年 的哺乳 动物中枢 神经系 统中 是否确实存在神经 干细 胞呢 ? 通 过 H 标 记胸 腺嘧啶 细胞 掺入 法证实神经干细胞存在于哺乳动物的海马齿状 回及嗅球 中[ 16] , Reynold 等 [ 9] 从成年鼠的纹状体分离出具有增殖 潜能的干细 胞 , Craigig 等将 EGF 注入 老鼠 的侧 脑室 , 结 果 发现 室管 膜 区 nestin 呈阳性的细胞数明显增多 [ 17] , 表明在哺乳 动物中枢神经 系统的 神经元再生能力很有限并非由于缺乏 足够神 经干细 胞 , 而 是由 于缺少刺激神经干细胞分化的必须的神经因子。 3 临床应用前景 3. 1 细胞疗法 ( cell therapy) 近年来已成为治疗 多种 疾病 的新 策略 , 其 目的 是替 代、 修 复或加强受 损的组 织或 器官的 生物 学功 能。细 胞疗 法应 用最 多的靶细胞 即是各 种干 细胞。从 干细胞 到成 熟 细胞 有许 多分 化阶段 : 最原始的 干细 胞是 全能 性干 细胞 ( totipotent stem cell) , 具有自我更 新和分化 为任 何类型 组织 的能 力 ; 迄今 为止 , 只有 受精卵才符合这样的定义 , 囊胚期的胚胎干 细胞 ( embryonic stem cell, ESC) 是否具有全能 性仍存 在很 大争议。 分化方 向已 确定 的干细胞叫做多能 干细 胞 ( pluripotent stem cell) , 它们 将分 化为 特定的组织 , 例如 造血干 细胞 将分化 为血 细胞 , 肝脏 干细 胞将 分化为肝细胞 ; 这多能干细胞继续 向前分 化则成为 定向祖 细胞 ( committed progenitor) 。持续停留在某种组 织中的干细胞 被称为 组织特异性干细胞 , 造血干细胞 ( hematopoietic stem cell, HSC) 以 及近年来发 现的神经元干细 胞 ( neural stem cell NSC) 、 肌肉 干细 胞、 表皮层干细胞 等都 属于 此类。随 着机 体的 发育 , 干细 胞逐 渐分化为特 定类型 并行 使特定 功能。很 多成 人 组织 含有 干细 胞 , 当组织受到外伤、 老 化、 疾病 等的 损伤 时 , 这 些细 胞就 增殖 分化 , 产生新的组 织来 代替 它们 , 以 保持 机体 的稳 态平 衡。在 所有干细胞中 ,HSC 是人们认识最深入的一类。但是 90 年代以 来 , 分离和体外培养各种来源干细 胞的技 术不断成 熟引发 了新
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CHINESE JOURNAL OF CLINICAL ANATOMY
VOL. 20 NO. 5 2002
综 神经干细胞的生物学特性及意义
高梁斌 ,
1
述李 健 ,1 Nhomakorabea李佛保
2
( 1. 广州市第二人民医院骨科 , 广东 广州 510150; 中图分类号! R329. 28 文献标识码! A
2. 中山医科大学附属第一医院骨科 , 广东 广州 510080) 文章编号! 1001- 165X( 2002) 05- 0396- 03 程中干细胞增殖、 分化和迁移的分子机 制以及 与成体 脑中分 子 机制的不同 , 认清神经 干细 胞在 成体脑 中增 殖、 分 化和 迁移 的 条件和特点 , 将有可能诱 导成体脑 中神经 干 祖细胞 的增 殖、 分 化和迁移来替代 退化 和死 亡的神 经细 胞。若 能利 用从 流产 胎 儿分离出的神经干 祖细 胞及胚 胎干细 胞的移 植来替代 退化 和 死亡的神经细胞 , 才有可能从根本上对 神经退 行性疾 病进行 治 疗。 造血系统骨髓和造神经系统脑髓 都是由干细胞 祖细胞、 基 质细胞 ( stromal cell) 以及胞外基质 ( extracellular matrix ) 组成 , 骨髓 中的基质细胞及胞外基质是分隔外周 血液和干 祖细胞的界面 , 也是含各类因子十分丰富的干 祖细 胞的滋养环 境及决定 干 祖 细胞分化命运和 迁移 终点 的微环 境。应 用新 的半 固体 离体 培 养方法 , 培养基 中 加入 骨髓 的 基质 细胞 及 其他 细 胞构 成 滋 养 层 , 模拟体内微环境 , 可使 培养 的骨 髓干 细胞 及胚 胎干 细胞 长 期存活及分化 [ 7] 。说明 了胞 外基 质 在促 进骨 髓干 细胞 与基 质 细胞及其他细胞的相互作用 , 协调各种 细胞因 子及蛋 白质因 子 对干细胞的影响 起了 不可 替代的 作用。 胞外 基质 的各 组分 通 过调节粘着性和迁移能力 , 通过调节结 合在胞 外基质 上的各 种 生长因子和细胞 因子 的作 用来影 响干 细胞 的增 殖和 分化。 脑 髓和骨髓具有相似的胞外基 质分子。胞 外基质 由各种 糖蛋白、 粘蛋白及干 祖细胞产 生的粘 素 ( tenascin) 组成。 离体检 测脑 髓 胞外基质功能的结 果表明它 们影响 神经干 祖 细胞 的分化。 借 鉴骨髓干细胞离体培养的新方 法 , 能够 更深入 研究多 能性神 经 干 祖细胞甚至胚胎干细 胞与基 质细胞 及胞外 基质三者 间的 相 互作用 , 以及 神经干 祖细胞 的发育与 微环境 的关系 , 弄 清不 同 分化程度的神经细胞的特征性标志。 近来发现骨髓、 脑髓以及 胚胎中 的干 祖 细胞密 切相 关 , 在 某种程度上有共性。神 经干 祖细 胞在骨 髓的微 环境中 可增 殖 分化为各种血细胞 [ 8] , 而造血干 细胞在 脑的微 环境中 可增殖 分 化为各种神经细 胞。为神 经干 细胞 的来 源途 径提 供了 更多 的 可能性。 2 神经干细胞的生物学特点 将神经干细 胞 作为 干 细 胞有 以 下特 点 : ( 1) 有 增 殖能 力。 ( 2) 在整个生命过程中能自我维持或自我 更新。( 3) 能通过扩增 祖细胞而产生大 量的 后代。 ( 4) 具有 向多 细胞 系分 化的 能力。 ( 5) 损伤或疾病能刺激干细 胞的分 化。维持干 细胞的 数量有 两 个分裂途径 : ( 1) 对称性分裂 , 即 干细胞 分裂后 产生的 两个子 细 胞均还是干细胞 ; ( 2) 不对称性分 裂 , 即 干细胞 分裂后 的两个 子 细胞一个为干细胞 , 而 另一 个为 祖细胞 , 祖细 胞在 外界 刺激 因 子的作用下可向多个细胞系的终末期 分化。 哺乳动物的中枢 神经 组织是 由 大量 的神 经元 及胶 质细 胞 组成的。这些细胞的生长、 代谢主要是 依赖于 外部环 境的信 号 传递 , 这些信号传递可 能包 括细 胞与细 胞间 连接 , 或分 泌的 神 经递质、 神经营养因子及各种酶。关于 细胞信 号传导 的机制 了 解很少 , 但是人们通过大量的实验证明 神经元 及胶质 细胞可 能 同时来源于一类 具有 多潜 能的神 经干 细胞 , ReynoIds 等 已分 别 从胎鼠及成年鼠的脑组织中通 过体外培 养 , 同 时加入 表皮生 长 因子 ( EGF) , 分离出多潜能干细胞 [ 9] , Svend Sen 等 用类似的方 法 从人的胎脑中分离出神经干 细胞。随着 研究的 深入 , 发现表 皮