综述-神经干细胞的基础概述

神经干细胞
【前言】
成年动物脑内存在具有多向分化潜能的神经干细胞，这一发现已被多数学者认为是20世纪最后十年神经生物学领域的最重要进展之一。

最初，人们对神经干细胞的认识是从研究胚胎脑细胞发育开始的。

我们知道神经系统发源于胚胎的外胚层，因此，在胚胎发育过程中一定存在着向神经元和神经胶质定向分化的前提细胞，脑组织神经元和胶质细胞理论上均应来自这些多潜能的前体细胞。

Temple对大鼠胚胎脑组织细胞进行单向培养，证实这些细胞可以发育成神经元和神经胶质。

Williams和Price的实验显示，将近20%的胎脑皮质前体细胞可形成神经元和少突胶质。

Temple在培养胚胎脑皮质细胞的实验中发现，约有7%的单个胎脑皮质细胞可以分化成神经元、少突胶质和星形胶质。

这些体外实验证实，胚胎脑在发育期间具有多向分化的细胞。

这些细胞向神经元或神经胶质定向分化，还有一些移植实验表明，植入脑内的细胞会改变自身原有的特性而趋向于适应移植部位新环境的结构特点。

直到1992年，Reynolds和Weiss利用含有EGF的无血清培养基悬浮培养鼠脑纹状体细胞，得到一群球形悬浮生长的细胞，进一步发现该细胞群具有未分化细胞的特点：可以自我更新，并且可以分化为神经元和神经胶质细胞。

该研究迅速引起神经科学领域的重视，人们陆续从中枢神经系统许多部位（包括侧脑室的室管膜区、室管膜下区、海马、小脑、大脑皮质和脊髓等处）分离出类似的未分化细胞群，并命名为“神经干细胞（neural stem cells）”。

尽管目前还不能完全认定神经干细胞的确切表型，但从神经干细胞的分离、体外培养、诱导分化，到移植治疗神经系统疾病都取得了较大进展。

【神经干细胞的基础概念】
1992年，Reynolds和Weiss最先从成鼠的纹状体和海马中分离出能够不断增殖，并具有分化潜能的细胞群落，提出神经干细胞（neural stem cell，NSC）的概念。

此后，许多试验也都证实在人脑内也存在神经干细胞。

目前得到普遍认为的神经干细胞的概念是由Mckey在1997年提出的，即神经干细胞是具有分化
为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞的能力，能自我更新，并能提供大量脑组织细胞的细胞群。

神经祖细胞（neural stem cell），是由神经干细胞分化而来的中间细胞，它们也具有有限的自我复制能力，但生命周期较前者短，在细胞谱系中又进一步的限制，能分化产生某种特定种类的神经组织细胞。

神经前体细胞（neural precursor cell），泛指所有的未终末分化的细胞类型，包括神经干细胞和神经祖细胞。

但前提细胞是一个不太严格的定义，是指发育过程中较某一种细胞处于更早阶段的细胞。

【神经干细胞的形态学特点】
由于目前尚不能精确定位活体组织中的神经干细胞，形态学观察都是针对体外培养的细胞。

悬浮生长的神经干细胞呈球形，聚集成团，称为“神经球（neurosphere）”，一旦细胞贴壁后，细胞呈梭形或卵圆形，可伸出很短的突起。

扫描电镜观察未分化的神经干细胞，见细胞为圆球形，大小一致，细胞表面有大量短而细的绒毛状突起，无数球形细胞彼此粘附在一起，可见大量细胞分裂增殖，细胞通过有丝分裂形成两个细胞核，细胞质未完全分开。

【神经干细胞的生物学特性】
1. 自我更新能力。

实验证明，哺乳动物的神经细胞在含碱性纤维细胞生长因子（bFGF）的无血清培养基中培养时，大部分神经元死亡，但有少部分神经元存活并可以增殖和克隆化，这种在丝裂原信化刺激下的增殖即自我更新能力，是神经干细胞的基本属性。

2. 多种分化潜能。

神经干细胞有多潜能性的细胞，它具有分化或有限细胞类型构建组织的能力。

目前已知，神经干细胞在体外特定的条件下可被分化为神经元细胞、神经胶质细胞和少突胶质细胞。

3. 两种分裂方式。

神经干细胞以对称分裂和不对称分裂两种方式进行增殖。

通过对称分裂分成两个神经干细胞或两个神经祖细胞，通过不对称分裂分成一个干细胞和一个祖细胞。

4. 神经干细胞的标志。

神经干细胞是一类未成熟的细胞，能选择性地表达某些抗原标志，如nestin（巢蛋白）、nestin属中间丝蛋白。

【神经干细胞的体内分布】
宏观地看，成年动物中枢神经系统内广泛存在神经干细胞，侧脑室、海马、纹状体、嗅球、大脑皮质、间脑、中脑、小脑、脊髓中都已分离培养得到神经干细胞。

现已证实，成年哺乳动物中枢神经系统中存在两个神经干细胞聚集区：侧脑室壁的室管膜下区（subventricular zone，SVZ）和海马齿状回的颗粒下层（subgranular zone，SGZ）。

然而，在组织形态学上，并没有在中枢神经系统发现新形态的细胞类型，因此，至今还不能认定成年动物体内神经干细胞的形态。

【神经干细胞的起源、增殖和分化】
神经系统的发育起源于神经外胚层，由神经管和神经嵴分化而成。

神经管最终分化为脑和脊髓，神经嵴分化为神经节、周围神经和肾上腺髓质等。

胚胎期中枢神经系统各个部位均可分离获得神经干细胞。

近年发现，胎脑中具有引导神经细胞迁移作用的放射状胶质细胞（radial glia）可能也是胚胎时期神经干细胞的存在形式。

出生前后，放射状胶质细胞主要转变为星形胶质，少量转化为普通的室管膜细胞，极少量仍保持干细胞特性。

神经发育的早期是干细胞增殖的主要阶段，在此阶段，干细胞要通过10~12次分裂进行增殖，为后期神经元发生和神经胶质发生做准备。

此外，在一些特定阶段，机体也可以通过神经干细胞增殖弥补损失的细胞，进行组织修复。

调控神经干细胞增殖的主要因素是神经生长因子。

成纤维细胞生长因子（FGF）和表皮生长因子（EGF）对胚胎神经干细胞和体外培养的神经干细胞的增殖都是必需的。

神经干细胞的分化在很大程度上取决于微环境。

神经干细胞分化是一系列神经因子连续协同作用的过程，其中bFGF、EGF、BDNF、CNTF、IGF-1、PDGF的调控作用研究较多。

微环境因素还包括细胞外基质、细胞间相互作用。

局部疾患、炎症介质、损伤因子等因素都参与神经干细胞的分化调节。

基因调控是诱导神经
干细胞分化的内因，外因最终要通过内因发挥作用。

神经干细胞在体内能沿着既定的路线增殖、发育成神经组织的各种细胞，归根结底是基因的差异表达，但至今对其本质还知之甚少。

【神经干细胞的临床应用及发展】
一、神经干细胞移植治疗神经退行性疾病
中枢神经系统疾病中很多是因为某种特定的细胞发生退行性死亡，使得一些重要的神经递质、蛋白质因子或某些重要的结构匮乏所致。

尽管成年脑内存在神经干细胞，但损伤后完全靠其增殖分化进行神经修复是远远不够的。

为此，科学家在成功培养了神经干细胞后，试图直接用它进行移植治疗，以代替那些因疾病或损伤的神经细胞修复神经系统功能。

大量动物实验证明，神经代替和部分重建神经回路是可能的。

目前，在鼠类和灵长类动物模型中已积累了移植神经干细胞治疗帕金森病、亨廷顿病、脊髓损伤、缺血性卒中等中枢神经系统疾病的大量实验数据。

1、帕金森病（Parkinson’s disease , PD）以运动功能失调（如僵直、颤抖和运动不能）为主要特征。

脑内黑质DA神经元变性是目前公认的发病机制。

PD较适合于神经干细胞移植治疗。

Preed等的最新研究显示，人胚多巴胺神经元植入PD病人脑内，能显著改善60岁以下病人的临床症状，而对60岁以上病人未见明显影响。

2、亨廷顿病（Huntington’s disease，HD）是遗传性神经元病变，以皮质和新纹状体最为严重，表现为不自主肢体舞蹈样运动，伴有进行性精神症状及智能减退。

《美国科学院学报》2000年报道，一例接受18个月胎儿纹状体移植最终死于心血管疾病的HD患者尸检后发现，植入脑内的神经细胞不仅依然存活，而其与宿主神经细胞建立了突触联系，植入的组织也未发现HD的典型病变。

3、脊髓损伤。

脊髓损伤致截瘫是探索神经干细胞移植治疗的一项重大课题。

从成年哺乳动物神经系统分离得到的神经祖细胞移植到脑内后分化成胶质细胞和神经细胞，而植入脊髓后分化成少突胶质细胞和星形胶质细胞。

二、改善认知能力
尽管目前有关神经干细胞移植的研究集中在病变部位比较确切的疾病中，但已有研究开始探索涉及到全脑功能的改变，如衰老和痴呆等。

实验证明，移植神经干细胞能够改善衰老引起的大脑认知功能障碍，显示出神经替代治疗年龄相关的神经退行性疾病的潜力。

三、以神经干细胞为载体的基因治疗
除体外诱导胚胎干细胞使其分化成神经干细胞外，还可以用逆转录病毒导入外源性原癌基因在体外建立细胞系，即形成所谓的永生化细胞系或干细胞系。

该方法一方面利用神经干细胞本身的特性，使其在特定的微环境中分化成相应的细胞来代替损伤或死亡的神经元。

另一方面，利用干细胞表达外源性基因对周围细胞起到营养和保护作用，以达到改善症状和治疗疾病的目的。

【小结】
目前，对神经干细胞的研究已成为神经科学中的新兴领域，我国国家自然科学基金委员会将神经干细胞的分化诱导调控机制的研究列为2000年的重点项目，充分体现了对神经干细胞分化诱导调控机制研究的重视。

这将为脑神经细胞再生、脑神经移植及神经系统基因治疗等研究领域展现一个全新的研究前景。

同时，神经干细胞的研究对了解神经系统的发育、神经疾病的发生和神经损伤的修复也有着重要意义。

对其研究的深入，还将会对利用内源性神经干细胞改进的胚胎或骨髓干细胞和基因工程细胞治疗神经疾病起到促进作用。

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