1 神經干細胞的特點
神經干細胞的特點如下 :①神經干細胞可以分化。②通過分裂產生相同的神經干細胞來維持自身的存在 ,同時 ,也能產生子細胞并進一步分化成各種成熟細胞。干細胞可連續分裂幾代 ,也可在較長時間內處于靜止狀態。③神經干細胞通過兩種方式生長 ,一種是對稱分裂 ,形成兩個相同的神經干細胞 ;另一種是非對稱分裂 ,由于細胞質中的調節分化蛋白不均勻的分配 ,使得一個子細胞不可逆的走向分化的終端而成為功能專一的分化細胞 ,另一個子細胞則保持親代的特征 ,仍作為神經干細胞保留下來。分化細胞的數目受分化前干細胞的數目和分裂次數控制。
2 神經干細胞與其它類型干細胞的關系
按分化潛能的大小 ,干細胞基本上可分為 3種類型 :第一類是全能干細胞 ,它具有形成完整個體的分化潛能 ,具有與早期胚胎細胞相似的形態特征和很強的分化能力 ,可以無限增殖并分化成全身 2 0 0多種細胞組織的潛能 ,進一步形成機體的所有組織、器官進而形成個體 ;第二類是多能干細胞 ,這種干細胞也具有分化多種細胞組織的潛能 ,但卻失去了發育成完整個體的能力 ,發育潛能受到一定的限制 ;第三類是單能干細胞 ,如神經干細胞等 ,這種細胞只能向一種類型或密切相關的兩種類型的細胞分化。然而橫向分化的發現 ,使這個觀點受到了挑戰 ,神經干細胞可以分化成造血細胞。總之 ,生命體通過干細胞的分裂來實現細胞的更新及保證持續生長。隨著基因工程、胚胎工程、細胞工程及組織工程等各種生物技術的快速發展 ,按照一定的目的 ,在體外人工分離、培養干細胞 ,利用干細胞構建各種細胞、組織及器官作為移植來源 ,將成為干細胞應用的主要方向。
3 神經干細胞的分布
神經管形成以前 ,在整個神經板檢測到神經干細胞的選擇性標記物神經巢蛋白 (nestin),是細胞的骨架蛋白。構成小鼠神經板的細胞 ,具有高效形成神經球的能力。但目前尚不能肯定神經板與神經干細胞是否具有相同的誘導機制。神經管形成后 ,神經干細胞位于神經管的腦室壁周邊。關于成腦神經干細胞的分布 ,研究顯示成年嗅球、皮層、室管膜層或者室管膜下層、紋狀體、海馬的齒狀回顆粒細胞下層等腦組織中分布著神經干細胞。研究發現脊髓、隔區也分離出神經干細胞 ,這些研究表明 ,神經干細胞廣泛存在于神經系統。在中央管周圍的神經干細胞培養后亦可形成神經球并產生神經元。脊髓損傷時 ,來自于神經干細胞的神經元新生受到抑制 ,而神經膠質細胞明顯增多 ,其機制可能與生成神經元的微環境有關。
4 神經干細胞的分化機制
神經干細胞定向誘導分化調控是目前神經干細胞研究的重大課題 ,腦內主要組織細胞包括神經元、星形膠質細胞及少突膠質細胞等。大腦的功能主要依賴于神經元并通過神經信息的傳遞方式來實現。腦內神經元種類繁多且功能極為復雜 ,如膽堿能神經元、兒茶酚胺能神經元、5-羥色胺能神經元及肽能神經元等。不同功能的神經元分布在腦內不同的部位 ,通過合成及釋放相應的神經遞質發揮各自獨特的功能。雖然神經干細胞應用中還存在較多未解決的問題 ,但由于其廣闊的應用前景 ,仍成為世界上神經科學界研究的熱點之一。
神經干細胞的分化受基因調控。基因表達的時空方式受到其自身固有的分子程序的調控和周圍環境的影響。胚胎干細胞向神經干細胞的分化需要基因調控 ,特別是不同發育分化階段決定神經干細胞向所需功能神經細胞定向分化的主要調控基因。目前 ,雖然基因組測序已完成草圖 ,但基因組序列分析僅僅反映遺傳信息復雜性的一方面 ,而有關遺傳信息有序地、時相性地表達等復雜性的另一方面尚未完善。生物的類型變化主要是其內在的 ,所表達的基因是確定的 ,如分化細胞與祖細胞 ,腫瘤細胞與正常細胞等都存在著基因表達差別。若能在這些關系密切的細胞群之間發現那些有表達差別的基因 ,則可為這些相關細胞群所發生的復雜代謝和功能變化提供有意義的信息。Pevny等將神經元特異性的Soｘ2基因轉染胚胎干細胞 ,再經維甲酸誘導 ,可獲得90 %以上的神經細胞。Giebel等表達Nurrl基因對于中腦神經前體細胞分化為多巴胺能神經元起決定作用。這些研究表明基因調控與神經干細胞的定向分化密切相關。
細胞因子與神經干細胞的增殖、分化密切相關。不同的細胞因子在神經干細胞的誘導分化中起重要作用 ,但尚沒有一種細胞因子能在體外將神經干細胞全部誘導分化為所需的功能神經細胞 ,參與神經干細胞誘導分化的細胞因子有白細胞介素類 ,如IL-1、IL-7、IL-9及IL-1 1等。神經營養因子對神經干細胞分化到終末細胞的整個過程均有影響 ,如果將培養的神經干細胞置于腦源性神經營養因子作用下 ,大量的神經干細胞可以表現出分化神經元的特性。生長因子類 ,如上皮生長因子、神經生長因子及堿性成纖維細胞生長因子等也影響神經干細胞的分化。神經干細胞對不同種類、不同濃度的因子 ,以及多種因子聯合應用作用各不相同 ,在神經干細胞發育分化的不同階段 ,相同因子的作用也不同。如在表皮生長因子及堿性成纖維細胞生長因子存在的條件下 ,胚胎神經干細胞主要向神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞分化 ,而出生后及成年的腦神經干細胞 ,則無論是否有上皮生長因子及堿性成纖維細胞生長因子 ,都主要分化為星形膠質細胞。這些研究提示 ,上皮生長因子及堿性成纖維細胞生長因子對神經干細胞向功能細胞的誘導分化是復雜的。
信號轉導在神經干細胞分化中十分重要。作為一種信號傳導途徑 ,Notch信號傳導系統尚未完全闡明。目前認為Notch受體是一種整合型膜蛋白 ,是一個保守的細胞表面受體 ,它通過與周圍配體接觸而被激活 ,其信號傳導途徑開始于Notch受體與配體結合后其胞漿區從細胞膜上脫落 ,并向細胞核轉移 ,將信號傳遞給下游信號分子。該途徑的信號傳遞主要是通過蛋白質相互作用 ,引起轉錄調節因子的改變或將轉錄調節因子結合到靶基因上 ,實現對特定基因轉錄的調控。當激活Notch途徑時 ,干細胞進行增殖 ,當抑制Notch活性時 ,干細胞進入分化程序。這些研究結果表明找到調節Notch信號途徑的方式 ,就可能通過改變Notch信號來精確調控神經干細胞向神經功能細胞分化的過程和比例。此外 ,Janus激酶信號轉導遞質與轉錄激活劑 (JAK-STAT)信號傳導系統也參與干細胞的調控。
5 神經干細胞的應用
神經干細胞在神經發育和修復受損神經組織中發揮重要作用。神經干細胞移植是修復和代替受損腦組織的有效方法 ,能重建部分環路和功能。此外神經干細胞可作為基因載體 ,用于顱內腫瘤和其它神經疾病的基因治療 ,利用神經干細胞作為基因治療載體 ,彌補了病毒載體的一些不足。Wagner等將神經干細胞移植到帕金森病模型的鼠腦 ,神經干細胞在其腦組織中遷移并修復損毀的腦組織 ,且震顫癥狀明顯減輕 ,可能是神經干細胞分化成為多巴胺能神經元起到治療作用。Piccini等從流產胎兒腦中分離的神經組織細胞 ,移植入患者的腦中治療帕金森病 ,結果有一半以上的患者癥狀得到明顯改善 ,而且效果持續存在。多發性硬化是發病率較高的神經系統疾病 ,在其嚙齒類動物模型中發現產生髓鞘的少突膠質細胞被破壞或失去功能 ,將神經干細胞直接移植到鼠腦中 ,移植的細胞在腦中發生了大范圍的遷移 ,在分化成的少突膠質細胞中 ,約40 %的細胞形成了髓鞘 ,其特性非常接近正常狀態 ,一些接受移植的動物其典型的癥狀也得到了明顯的改善。腦膠質瘤是醫學治療的難點之一 ,手術切除腫瘤困難 ,且容易復發 ,放療和化療對腫瘤有一定的作用。由于神經干細胞具有遷移的功能 ,利用這種特性可以向腦部釋放藥物。對鼠神經干細胞進行轉基因處理 ,使之分泌IL-4,這種物質能夠激活免疫系統 ,對腫瘤細胞發生抗瘤攻擊 ,患有腦膠質瘤的實驗鼠接受這種細胞注射之后 ,壽命比未治療的實驗鼠大大延長 ,核磁共振成像表明 ,實驗鼠腦部的大塊腫瘤有縮小的跡象 ,有趣的是 ,既使注射的神經干細胞不分泌IL-4,實驗鼠的壽命也會延長。Ling等認為這是由于神經干細胞還能分泌一種能夠減緩腫瘤細胞分裂的未知物質的緣故。此外 ,神經干細胞對于判斷藥效及藥物毒性等也有一定實用價值,如可以利用神經干細胞培養技術觀察某些天然化合物和合成化合物的神經活性 ,為發展小分子治療藥物提供理論基礎。
6 神經干細胞應用中存在的問題
目前建立的神經干細胞系絕大多數來源于鼠 ,而鼠與人之間存在著明顯的種屬差異 ;神經干細胞的來源不足 ;部分移植的神經干細胞發展成腦瘤;神經干細胞轉染范圍的非選擇性表達及轉染基因表達的原位調節 ;利用胚胎干細胞代替神經干細胞存在著社會學及倫理學方面的問題等。
7 展望
目前神經干細胞的來源、分離、培養及鑒定還有許多工作要做 ,神經干細胞誘導、分化及遷移機制有待進一步研究。通過細胞培養技術及基因組的研究 ,如DNA微列陣技術 ,進一步明確成體神經干細胞的確切位置 ,可以設計藥物特異性地激活這些細胞。進一步認識神經干細胞的本質和控制分化基因 ,通過調控靶基因 ,可以從神經干細胞誘導產生特定的分化細胞來滿足各種需要。橫向分化的發現對神經干細胞的研究和應用具有重要意義 ,人們可望從自體中分離誘導出神經干細胞 ,有可能解決神經干細胞的來源問題。總之 ,神經干細胞的應用將有廣闊的前景。