中樞神經幹細胞與再生醫學之神經幹細胞

來源：《現代幹細胞與再生醫學》龐希寧 徐國彤 付小兵

編輯：中科政興

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神經幹細胞( neuralstem cell,NsC)是大腦發育、神經再生及進化的基礎,神經幹細胞具有分化為神經元星形膠質細胞和少突膠質細胞的能力,能自我更新,並足以提供大量腦組織細胞的細胞群。長期以來人們都認為:神經細胞主要在胚胎期發生,在生後早期也可以產生一部分,到成年後的哺乳動物的大腦幾乎沒有新生神經細胞的能力。直到1992年, Reynolds和Weiss才證明成年哺乳動物的大腦內存在神經幹細胞,並且這些細胞具有自我更新和多潛能分化的能力,可以在體外培養進行分裂增殖,並能分化產生神經細胞和神經膠質細胞。

神經幹細胞類型

根據幹細胞分化功能,幹細胞可以分為全能幹細胞、亞全能幹細胞、多能幹細胞和專能幹細胞。按照細胞的來源,神經幹細胞可以分為:胚胎神經幹細胞( embryonic stem cell,ESC);胚體神經幹細胞( fetalstencell,FsC);成體神經幹細胞( adult stem cell,ASC)。ESC和FSC的乾性好,可以分化為多種前體細胞。但是,作為移植細胞源也受到最大的倫理學限制,用於臨床有很大難度。而ASC可以從人體自身獲得,在體外培養擴增後,可以重新移植回體內,從倫理學和醫學角度來看,它是最合適的供體。但是它有限的分化能力也限制到它的廣泛應用。

神經幹細胞可以在多種內在基因因素和外在信號調控下通過分化發育為限制性神經前體細胞(restricted precursor,NRP)和膠質限制性前體細胞( glialrestricted precursor,GRP)。限制性神經前體細胞最終分化為各種神經元,膠質限制性前體細胞不僅能分化為I型星形細胞,還能分化產生雙潛能的O2A祖細胞(Ⅱ型星形膠質祖細胞),這種祖細胞分化為少突膠質細胞和Ⅱ型星形細胞。與神經幹細胞相比,神經祖細胞( neural progenitor cell,NPC)是具有限定潛能的、具有明確分化方向的一種細胞,也能自我更新分化為神經元、星形膠質細胞或者少突膠質細胞;神經前體細胞( neural precursor cell,lPC)則不是一個嚴格的概念,泛指處於發育更早期的細胞,可分化為多種神經細胞,如神經元細胞、膠質細胞等。

中樞神經系統、周圍神經系統和自主神經系統三類類型的神經組織都是由神經元與相關的膠質細胞構成,神經元是由細胞體構成的,細胞體通過軸突發送電信號,通過較短的樹突接受其他神經元發送的信號元在神經突觸處連接,神經突觸是指一個神經元的軸突與另外一個神經元的樹突或者細胞體連接處。所有的神經細胞胞體和軸突都與膠質細胞( neuroglial cell)相聯繫

在腦和脊髓中,少突膠質細胞(oligodendrocyte,OL)和星形膠質細胞( astrocyte)是主要的神經膠質細胞,少突膠質細胞形成絕緣的髓鞘,不同種類的星形膠質細胞存在於灰質和白質中。星形膠質細胞在神經元存活、神經遞質谷氨酸鹽的清除、酸鹼平衡的維持、神經突觸的接觸與形成及神經元反饋調節中起關鍵性作用與視神經相關的膠質細胞主要是星形膠質細胞。在周圍神經系統中,施萬細胞形成軸突的髓鞘,與中樞神系統中少突細胞的作用相似。

神經幹細胞的分布

在哺乳動物的胚胎期,神經幹細胞主要分布在大腦的皮層、紋狀體、海馬、室管膜下層和中腦等區域。

正常哺乳動物成年後,中樞神經系統內仍有神經幹細胞存在,只不過這些細胞平時處於靜止狀態。研究發現,在室管膜下區和齒狀回的顆粒細胞層具有數量較多的具有分化能力的幹細胞。隨著神經幹細胞研究的深入,發現在成體動物以及人腦內多個部位均發現數量不均的幹細胞聚集區域。這些區域的發現為自體神經幹細胞移植提供了更多的移植來源,也為進一步研究不同部位神經幹細胞的擴增、分化的差異提供線索。

神經幹細胞分化與成熟

在胚胎期,位於神經管上皮層的神經幹細胞在精確的時間和空間信號的調控下進行不對稱分裂產生限制性祖細胞。這些祖細胞在膠質細胞放射狀突起的引導下發生向心性遷移,同時在局部環境信號的誘導下分化並作切線位遷移,最終形成相應的神經細胞,從而完成腦皮層的構建,稍後神經幹細胞向膠質細胞分化完成腦白質的構建。

隨著神經管的形成,神經管由原來的柱狀上皮變為假復層上皮,稱神經上皮( neuroepithelium),其以基底面附著於神經管的管腔。研究發現,神經上皮伴隨其分裂周期呈現一種在神經管內、外壁間往返遷移的過程。

有絲分裂後的細胞不斷向神經管外壁遷移,它是沿著神經膠質細胞伸出的、輻射狀排列的突起進行的。細胞的聚集形成外套層( mantle layer)並逐漸增厚,此時增殖的神經上皮稱為室管膜( ependyma),在外套層和神經管外壁之間為邊緣層( marginal zone)。外套層的細胞分化、向外遷移又形成一個中間層。

在神經管的發育中,作為神經管襯裡的神經上皮分化為神經細胞和膠質細胞的前體,這是基因表達的特異時空模式的結果。神經元的發生開始於numb等細胞成分在神經祖細胞不對稱分裂時的分布以及神經前體細胞遷移到皮質板。

神經幹細胞的代謝

糖代謝

在哺乳動物中,葡萄糖是細胞的主要能量來源。葡萄糖通過GLUT(葡萄糖轉運體)經由異化擴散進入細胞內,進行代謝產生ATP(三磷酸腺苷)。幹細胞分化過程,有其特殊的代謝過程, Birket等研究了胎源性幹細胞轉化為神經幹細胞/祖細胞過程中代謝的特點,發現轉化期間糖酵解活動增加,而線粒體的活性氧的產生活動減少。糖酵解對於神經幹細胞的分化和再生具有重要作用,為細胞內氨基酸和核酸的合成提供了碳源。糖酵解過程雖然只生成了2個ATP,但是可以產生許多ATP的片段,相應地,神經幹細胞表達糖酵解的蛋白,如GLUTI和GLUT3。糖酵解對於神經再生的關鍵,有絲分裂原、SHH介導了HK2的表達,HK2介導的糖酵解對於小腦的神經再生具有重要作用。SW等觀察到葡萄糖攝入減少會引起小鼠腦內海馬的祖細胞量減少,說明葡萄糖對於維持神經幹細胞的量也起到一定作用。但是過多的葡萄糖又會抑制神經幹細胞的擴增和分化,機制是因為過多的糖會抑制GLUT1的表達,從而影響了神經幹細胞對糖的攝取利用。

脂質代謝

多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids,PUFA)指含有兩個或兩個以上雙鍵且碳鏈長度為18~22個碳原子的直鏈脂肪酸。通常分為n3和n-6。二十二碳六烯酸( docosahexaenoic acidDHA),花生四烯酸( arachidonicacid,ARA)都屬於常見的脂肪酸類型。在體外研究中,DHA和ARA都可以維持神經元能的NSC的生存,對於神經元能的NSC的分化未見到有明顯影響。但是對於可以分化為膠質細胞的膠質能的NSC的研究發現,DHA不僅可以支持其生存也可以促進分化為膠質細胞,但是,ARA不能對其起到支持作用,結果是分化為星形細胞。據推測,這種差異的產生可能是因為DHA比ARA多了脂質雙鍵。2012年發表的一項動物實驗報告中,兩組雌性大鼠分別被給予富含脂肪酸的食物和缺少脂肪酸的食物,在分娩後,檢查新生鼠腦內NSC的數量和分化情況,結果發現被給予富含脂肪酸的大鼠的幼崽腦內NSC的數量明顯多於另一組。另外,在對成年大鼠的研究中,通過餵養富含n-3多不飽和脂肪酸的飼料,發現齒狀回處可以發現不成熟的神經元,這可能是因為成年後腦內磷脂隨著年齡增加而減少,從而影響了神經幹細胞的生存。在神經幹細胞分化的研究中,發現經多不飽和脂肪酸處理的神經幹細胞增殖和分化能力加強,在使用etomoxir(脂肪酸氧化抑製劑)抑制脂肪酸的氧化過程,發現神經幹細胞的擴增能力下降,但是細胞的生存卻未受影響。調節能量代謝的因素可以影響神經幹細胞的增殖和分化。

膽固醇

膽固醇(cholesterol)是細胞膜的基本組成結構,可以形成脂筏與各種蛋白相互結合,最終形成微區結構,這些微區結構對於於膜運輸和信號轉導起到重要作用。膽固醇可以作為類固醇激素和膽汁酸的前體,也是脂蛋白的組成部分,可以攜帶各種脂質。腦和脊髓是富含膽固醇的器官,可見膽固醇對於神經發育具有重要作用。膽固醇對於神經幹細胞的影響目前研究不多,在大腦皮質發育過程中,可見檢到膽固醇含量急劇增加, prominin-1(一種脂膜蛋白)可以和膜膽固醇結合,暗示膽固醇在神經發育中的重要性。抑制膽固醇的生物合成,發現可以引起神經元的壞死,說明膽固醇對NSC具有作用。孕婦過度肥胖可以引起胎兒神經管發育的異常,通過動物實驗發現,在高脂飲食的母鼠生育後,發現幼鼠腦內未成熟的神經元增加,進一步研究發現,幼鼠腦notch信號通路活化,引起Hes/和Hes2基因表達上調(Hesl和Hes2可以抑制NSC的分化),結果影響NSC的分化,抑製成熟神經元的發育成熟。

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