神经干细胞

2024年11月15日 | 12 分钟阅读

在过去的40年里，干细胞生物学取得了惊人的进展，彻底改变了科学和医学。神经系统的干细胞被称为神经干细胞或NSCs。它们在发育过程中产生整个神经系统。虽然NSCs在成年人中稀少且大多处于休眠状态，但大量数据表明它们在神经系统再生、衰老和可塑性中发挥着关键作用。在胚胎发育过程中，神经干细胞（NSCs）是多能的、自我更新的细胞，它们最初产生放射状胶质祖细胞，而放射状胶质祖细胞又在所有动物的神经系统中产生神经元和胶质细胞。某些神经祖干细胞在成年脊椎动物的生命中，在脑的非常有限的区域内持续产生神经元。控制神经干细胞区室大小的基因突变是驱动脊椎动物进化的最重要力量之一，因为中枢神经系统大小的差异是物种间最重要的差异之一。

干细胞能够发展成多种细胞类型是它们的显著特征之一。它们通过对称或不对称细胞分裂分裂成两个子细胞。在对称细胞分裂中，两个子细胞都是干细胞。一个干细胞不对称分裂，产生一个干细胞和一个特化细胞。NSCs主要经历少突胶质细胞、星形胶质细胞和神经元分化。

由于其能力、适应性和多样性，NSCs是令人着迷且有前景的细胞。通过了解NSCs的工作原理，可以更好地理解神经系统的发育、适应性、疾病、再生和康复。利用尖端基因和成像工具，以及对皮质发育和使用大鼠模型进行成人神经发生的调查，极大地增进了我们对NSCs的理解。它们将继续提供重要的新数据。然而，干细胞和基因编辑技术的快速发展为我们提供了通过使用人类NSCs研究人类特异性发育和疾病途径的窗口。细胞谱系调控、NSCs在体内的行为、三维细胞相互作用以及衰老和表观遗传标记的保留仍然存在问题。

历史

最早表明成年哺乳动物大脑的特定区域会经历神经发生的迹象是Altman和Das在1965年进行的[3H]-胸腺嘧啶标记研究，该研究揭示了幼年大鼠的出生后海马神经发生。Sally Temple在1989年报告了小鼠大脑脑室下区（SVZ）存在多能的、自我更新的祖细胞和干细胞。Brent A. Reynolds和Samuel Weiss在1992年首次从小鼠的成年纹状体组织中分离出神经祖细胞和干细胞，其中包括SVZ，它是神经发生区之一。同年，由Constance Cepko和Evan Y. Snyder领导的科学家团队成功地从小鼠小脑中分离出多能细胞，并用癌基因v-myc对其进行了转染。这是目前常用的将成年非干细胞转化为多能干细胞的基因之一。此后，神经祖细胞和干细胞已从各种成年中枢神经系统组织中提取，包括脊髓等非神经发生组织以及包括人类在内的多种动物物种。

大脑位置

在成年哺乳动物大脑中，神经干细胞已在以下区域被发现：海马齿状回的颗粒下区、侧脑室周围的脑室下区以及下丘脑（具体来说，在背侧α1、α2区域和位于邻近中位隆起的“下丘脑增殖区”）。

开发

体内起源

绿色代表分裂成星形胶质细胞的神经干细胞，红色代表生长激素受体位点。

成年干细胞的分化能力有限，而胚胎干细胞（ESCs）具有多能性，可以发展成任何形式的细胞。这是两种主要的干细胞类型。

由于神经干细胞只产生放射状胶质细胞，而放射状胶质细胞又产生中枢神经系统（CNS）的神经元和胶质细胞，因此它们比胚胎干细胞（ESCs）更专业。在脊椎动物的胚胎发育过程中，NSCs成熟为放射状胶质细胞（RGCs），通常也称为放射状胶质祖细胞（RGPs）。RGPs存在于一个被称为脑室区（VZ）的临时区域。通过神经发生过程，RGPs在胚胎发育的特定阶段产生大量的神经元。这些神经元随后在成年后在成人大脑的特定区域形成。在成年脑室下区（SVZ），即胚胎生发神经上皮的一部分，以及海马的齿状回中，成年NSCs发育成新的神经元。

体外起源

在20世纪90年代早期，成年NSCs首次从小鼠纹状体中分离出来。在体外培养时，它们可以发展成多能神经球。神经球可以产生增殖和自我更新的特化细胞。这些神经球可以发展成相应的胶质细胞、少突胶质细胞和神经元。早期的研究表明，植入免疫缺陷新生小鼠大脑中的培养神经球表现出植入、增殖和神经元分化。

迁移和通信

干细胞生态位或微环境提供外部刺激，诱导NSCs开始分化。当被激活时，一些神经细胞从SVZ通过嗅球迁移流移动，该流具有骨髓状结构，包含室管膜细胞和星形胶质细胞。神经母细胞通过由星形胶质细胞和室管膜细胞组成的胶质管迁移。除了支持迁移细胞外，管中的星形胶质细胞还保护它们免受附近细胞发出的化学和电信号的影响。星形胶质细胞是细胞快速扩增的主要起始点。为了替换或修复受损的神经元，神经母细胞以紧密排列的链状移动到指定区域。例如，一个神经母细胞向嗅球方向移动，以发育成颗粒细胞或嗅球周细胞，它们是径向而不是切向移动的。

老化

随着年龄的增长，神经干细胞的生长会减少。已经尝试了多种策略来对抗这种与年龄相关的下降。FOX蛋白通过阻断Wnt信号来保护神经干细胞，因为它们控制神经干细胞的稳态。

函数

虽然大脑祖细胞和干细胞群产生的其他物质对于最佳发育也是必需的，但表皮生长因子（EGF）和成纤维细胞生长因子（FGF）是促进神经祖细胞和干细胞在体外生长的促分裂原。据认为，NSCs是成人大脑神经发生的来源。成人大脑中NSCs的起源和性质仍不确定。

分化过程中

最常用的成人NSC模型是径向、胶质纤维酸性蛋白阳性细胞。B型静止干细胞能够保持静止状态，因为大脑独特的生态位（由血管、星形胶质细胞、小胶质细胞、室管膜细胞和细胞外基质组成）提供了可再生的组织。在外部刺激它们之前，这些生态位为干细胞提供庇护、营养和结构支持。被激活后，B型细胞成熟为C型细胞，C型细胞是活跃增殖的中间细胞，然后分裂成由A型细胞组成的神经母细胞。未分化的神经母细胞形成的链会移动并成熟为神经元。它们在嗅球中发育成GABA能颗粒神经元，在海马中发育成齿状回颗粒细胞。

表观遗传修饰

分化神经干细胞中基因表达的重要调控因子是表观遗传修饰。DNA胞嘧啶甲基化生成5-甲基胞嘧啶和5-甲基胞嘧啶去甲基化是重要的表观遗传修饰。在发育和成年哺乳动物大脑中，细胞命运的决定取决于这些类型的修饰。

DNA甲基转移酶 (DNMTs) 催化DNA胞嘧啶的甲基化。TET酶执行氧化反应（例如5-甲基胞嘧啶到5-羟甲基胞嘧啶），而参与DNA碱基切除修复（BER）途径的酶则分多个阶段催化甲基胞嘧啶的去甲基化。

疾病期间

在发育过程中，中枢神经系统（CNS）中大量的神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞主要由NSCs产生。除了向小鼠嗅球提供神经元外，它们还在成年动物的发育中发挥重要作用，例如小鼠的学习和海马可塑性。

值得注意的是，世界各地的一些研究团队目前正在破译NSCs在疾病中的功能。目前的工作部分涉及人类和动物模型中多发性硬化症、中风和帕金森病期间的反应。这项当前研究的发现未来将应用于人类神经系统疾病的治疗。

在传统试验中，Sanjay Magavi和Jeffrey Macklis已经证明神经干细胞迁移并取代死亡神经元。Magavi通过使用激光对皮质层造成损伤，证明表达双皮质蛋白（一种神经母细胞迁移的关键分子）的SVZ神经祖细胞长距离迁移到损伤部位，并分化成表达NeuN标记的成熟神经元。此外，日本研究人员Masato Nakafuku的团队首次证明了小鼠中风后海马干细胞的功能。这些发现表明NSCs能够对成人大脑的损伤作出反应。

此外，Evan Y. Snyder实验室在2004年的一项研究表明，NSCs会定向迁移到脑肿瘤。Jaime Imitola医学博士及其哈佛大学的同事首次揭示了NSC对损伤反应的分子机制。他们证明了人类和小鼠神经干细胞（NSCs）向小鼠损伤区域的定向迁移是由损伤后产生的趋化因子（如SDF-1a）引起的。自那时以来，已证明其他化学物质也参与了NSCs对损伤的反应。作为成年NSCs活动和在体内平衡和损伤期间神经发生的反应的证据，这些结果已被其他研究人员广泛复制和扩展，他们加入了Richard L. Sidman在放射自显影方面的经典工作，以可视化发育期间的神经发生，以及Joseph Altman在20世纪60年代在成人中的神经发生。

正在进行广泛的研究，以确定在损伤环境中发挥作用的其他机制以及它们如何影响NSCs在急性和慢性疾病中的反应。

研究

神经再生治疗

神经退行性疾病和急性中枢神经系统疾病的特征都是细胞死亡。中枢神经系统细胞更新和修复能力下降加剧了细胞损失。再生NSCs可用于细胞替代治疗，以解决此问题。体外培养NSCs可生成神经球。这些神经球由神经干细胞和祖细胞（NSPCs）以及FGF和EGF等生长因子组成。去除这些生长激素会触发神经元、星形胶质细胞或少突胶质细胞的发育，这些细胞可移植到受损大脑区域。这种治疗策略的益处已在多发性硬化症、帕金森病和亨廷顿病中进行了研究。通过其固有的免疫调节和神经保护能力，NSPCs促进大脑愈合。脑内移植和异种移植是两种潜在的移植方法。

内源性NSPCs（eNSPCs）的药物刺激为NSPC移植提供了一种治疗替代方案。在神经系统疾病模型中，通过诱导STAT3丝氨酸残基磷酸化并提高Hes3表达（STAT3-Ser/Hes3信号轴）的治疗方法可防止神经元死亡和疾病进展。激活的eNSPCs产生神经营养因子。

三维体外人中枢神经系统模型

源自人中脑（hmNPCs）的神经祖细胞可以沿着多种神经细胞谱系发育，从而产生神经球和多样化的神经表型。可以使用hmNPC创建人中枢神经系统的3D体外模型。粘附单层培养和神经球培养系统是培养hmNPC的两种方法。由于神经球培养系统可以在无血清培养基以及成纤维细胞生长因子-2（FGF2）和表皮生长因子（EGF）存在下聚集和增殖hmNPC，因此它在过去已被用于提取和开发CNS干细胞。为了创建单细胞悬液，hmNPC首先被分离和培养，然后它们经历了2D分化过程。这种单细胞悬液的使用使得同质3D结构的同质聚集大小成为可能。体外使用通过3D聚集产生的神经球创建了3D CNS模型。

用于治疗创伤性脑损伤的生物活性支架

创伤性脑损伤（TBI）可能导致脑组织变形，从而造成坏死性初始损伤。兴奋性毒性、炎症、缺血和血脑屏障崩溃随后可能级联并引发继发性损伤。损伤可能恶化并最终导致细胞死亡或细胞凋亡。目前的治疗方法旨在通过稳定出血、降低颅内压和炎症以及阻断促凋亡级联来阻止进一步的损伤。一种新的治疗策略是利用来自胚胎脑室周围区域的神经干细胞（NSCs）来修复TBI损伤。当注射到TBI患者体内时，干细胞可以在水凝胶中培养，水凝胶是一种有利的三维、低细胞毒性环境，可以提高NSC的存活率。经颅内注射的预处理NSCs被证明可以迁移到受损组织并发展成神经元细胞或少突胶质细胞，它们释放神经保护物质。

GeGalectin-1在神经干细胞中的作用

在神经系统疾病的动物模型中，半乳糖凝集素-1已被证明在治疗过程中具有生理功能。半乳糖凝集素-1在成熟的NSCs中表达。NSCs可以通过两种方式用于治疗：要么刺激内在的NSCs以增加增殖和替换受损组织，要么将NSCs移植到受影响的脑区域并让它们重建组织。人神经干细胞（hNSCs）用慢病毒载体感染半乳糖凝集素-1，然后注入受损区域。与单独的hNSC移植相比，hGal-1-hNSCs导致运动和感觉障碍的减少，并改善和加速了受损组织的脑再生。

测定方法

神经球测定法，也称为神经球培养系统，最初由Reynolds和Weiss创建，是一种常用于体外研究神经干细胞的技术。神经球是内在多样化的细胞结构，主要由一小部分（1-5%）缓慢分裂的神经干细胞及其后代组成，后代是快速分裂并表达巢蛋白的祖细胞群。因此，不同神经球群体之间球体大小的差异可能代表其神经祖细胞增殖、存活和分化状态的变化。这些祖细胞的总数决定了神经球的大小。据报道，在神经球培养中，β1-整合素缺陷干细胞形成新神经球的能力不受β1-整合素缺失的显著影响。然而，神经球的大小受到影响：由于细胞死亡增加和增殖减少，β1-整合素缺陷神经球整体上更小。

尽管神经球测定法一直是神经干细胞和祖细胞分离、扩增甚至计数的首选方法，但最近的一些出版物强调了神经球培养系统作为确定神经干细胞频率的方法的一些局限性。神经集落形成细胞（NCFC）测定法是一种基于胶原的神经干细胞定量方法，由STEMCELL Technologies与Reynolds合作开发。至关重要的是，该测试能够区分脑干细胞和祖细胞。

结论

NSCs可被刺激发育成各种成人脑细胞，包括神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞。它们在治疗影响神经系统的疾病方面表现出相当大的适应性。在某些情况下，NSCs可以分化成各种非外胚层细胞，如造血细胞和骨骼肌生成细胞。115、116和117此外，NSCs分泌的神经营养物质改善了病变微环境，为病理修复创造了有利条件。上述结果证明了NSCs在科学和临床研究中的重要作用。辅助药物、基因工程、三维移植或辅助细胞都可以通过促进细胞存活和分化成靶细胞类型来增强NSC移植的治疗益处。

由于NSCs以前只能从胚胎大脑中提取，因此NSC细胞疗法的发展受到供应有限、分离困难和纯度差的阻碍。也存在道德和伦理问题。目前，随着技术的发展，特别是ESC的鉴定和iPSC的创建，获取NSCs的技术正在改进。这使得能够获取大量NSCs并支持NSCs的基础研究。然而，将多能干细胞转化为高纯度NSCs通常需要很长时间，并且存在安全隐患，这使得该过程难以转化为治疗。体细胞转分化有助于避免以前的缺点，并为临床应用中的NSCs大规模生产提供了一个非常有吸引力的策略。尤其是在没有病毒策略或外源基因整合的方法中，例如化学、生长因子、3D培养或microRNA诱导的细胞转分化118，转化为NSCs。