汪凱 辛濤

(解放軍第401醫(yī)院神經(jīng)外科，山東 青島 266071)

·綜述·

干細(xì)胞治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病研究進(jìn)展

汪凱 辛濤*

(解放軍第401醫(yī)院神經(jīng)外科，山東 青島 266071)

干細(xì)胞; 細(xì)胞治療; 基因轉(zhuǎn)染; 神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病; 移植

中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病是由慢性進(jìn)行性中樞神經(jīng)組織退變所導(dǎo)致的疾病，包括帕金森病(Parkinson′s disease,PD)、阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)、亨廷頓病(Huntington′s disease，HD)、肌萎縮側(cè)索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)、多發(fā)性硬化(multiple sclerosis,MS)等,均是由于腦或脊髓的神經(jīng)元或膠質(zhì)細(xì)胞的丟失所導(dǎo)致。針對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的細(xì)胞移植和基因轉(zhuǎn)導(dǎo)治療的研究已廣泛開展并取得了良好結(jié)果，但細(xì)胞來源問題卻成了發(fā)展的障礙。多年來，人們已成功地從胚胎干細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞等多種干細(xì)胞分化得到了神經(jīng)元或膠質(zhì)細(xì)胞，并用于治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究。此文中，我們回顧了針對(duì)帕金森病等神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的干細(xì)胞移植治療的相關(guān)研究，探討了干細(xì)胞治療神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的應(yīng)用前景。

干細(xì)胞被定義為能夠自我更新并向多種細(xì)胞分化的一類細(xì)胞。胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cells,ESCs)和胚胎生殖細(xì)胞(embryonic germ cells,EGCs)分化成多種器官與組織的能力已經(jīng)被證實(shí)[1]。還有后來出現(xiàn)的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(induced pluripotent,iPSc)，該細(xì)胞是通過向成體細(xì)胞(如皮膚成纖維細(xì)胞)導(dǎo)入胚胎發(fā)育相關(guān)基因而得到的[2]。除上述細(xì)胞之外，處于更高發(fā)育階段的各組織中也可分離出相應(yīng)的組織特異性干細(xì)胞，如造血干細(xì)胞、臍帶血間充質(zhì)干細(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞等等。最近，Shu等[3]的報(bào)道帶給干細(xì)胞領(lǐng)域一個(gè)新的驚喜，他們僅使用四個(gè)分子化合物就成功地將分化成熟的小鼠成體細(xì)胞誘導(dǎo)成為可以重新分化發(fā)育為各種組織器官的，即處于去分化狀態(tài)的“多潛能”細(xì)胞，更令人驚奇的是他們利用這種細(xì)胞成功地培育出了小鼠。

研究顯示，神經(jīng)干細(xì)胞存在于人的胚胎和成人腦內(nèi)[4]。上世紀(jì)90年代，出于診斷的目的，研究者向一部分癌癥患者體內(nèi)輸入了5-溴脫氧尿苷，這些患者死后的檢驗(yàn)證據(jù)顯示在成人神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)有新生神經(jīng)元不斷產(chǎn)生[5]。但是為什么成年患者的中樞神經(jīng)系統(tǒng)在損傷(外傷或疾病)后的自我修復(fù)能力是有限的？原因可能是在腦部?jī)?nèi)環(huán)境中，誘導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞增殖并向神經(jīng)元分化的力量太弱所致。

通過導(dǎo)入原癌基因，研究者獲得了能不斷分裂增殖的永生化神經(jīng)干細(xì)胞系，并且已證實(shí)在移植入動(dòng)物模型體內(nèi)后可以定植并分化成神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞[6]。細(xì)胞移植和基因治療這些策略均可用于治療神經(jīng)退行性疾病，包括：PD、AD等[7,8]。該綜述回顧了干細(xì)胞治療神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的相關(guān)研究。

一、帕金森病 (PD)

PD的主要病理特征是黑質(zhì)的多巴胺(dopamine,DA)能神經(jīng)元的大量丟失，從而引起紋狀體內(nèi)多巴胺的含量顯著減少而致病，我國此類患者超過300萬人。原發(fā)性PD的病因?qū)W還不明確，但傾向于如下幾點(diǎn)：程序性細(xì)胞死亡、病毒感染以及環(huán)境毒作用。左旋多巴(levodopa,L-DOPA)雖然有一定治療效果，但長(zhǎng)期應(yīng)用會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的副作用[9]。

20世紀(jì)80年代，通過移植胎腦組織治療PD患者獲得了良好的效果[10]。但因?yàn)閭惱?、宗教原因使?xì)胞來源存在障礙。此外，有報(bào)道顯示移植后的胎腦細(xì)胞在患者腦內(nèi)的存活率非常低，而且，要獲得足夠的用于移植的胎腦組織也并非易事。利用ESCs，間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells,MSCs)或者神經(jīng)干細(xì)胞(neural stem cells,NSCs)分化得到DA神經(jīng)元無疑是規(guī)避這些障礙的好辦法。研究者已用過表達(dá)核受體相關(guān)因子1(nuclear related receptor 1,Nurr1)[11]、B細(xì)胞淋巴瘤-特大型(B-cell lymphoma-extra large,Bcl-xL)[12]等方式從干細(xì)胞得到多巴胺能神經(jīng)元，在移植到帕金森病模型大鼠腦內(nèi)后獲得了一定程度的功能恢復(fù)。Kim等人還通過基因工程技術(shù)，用cDNA同時(shí)轉(zhuǎn)導(dǎo)人類絡(luò)氨酸羥化酶(tyrosine hydroxylase，TH，一種兒茶酚胺合成過程中的限速酶)和三磷酸鳥苷環(huán)化水解酶1(guanosine triphosphate cyclohydrolase 1,GTPCH1--四氫生物喋呤(tetrahydrobiopterine,BH4)合成過程中的首要限速酶)得到了能夠產(chǎn)生L-DOPA的人神經(jīng)干細(xì)胞系，把該細(xì)胞移植入PD模型大鼠腦內(nèi)可以提高左旋多巴的濃度并帶來長(zhǎng)時(shí)間的功能恢復(fù)[13]。

二、阿爾茨海默病 (AD)

AD以遍及整個(gè)大腦的神經(jīng)元和突觸的變性、丟失為特點(diǎn)，尤其是基底節(jié)區(qū)、杏仁核、海馬等區(qū)域。臨床表現(xiàn)為進(jìn)行性記憶和認(rèn)知障礙，逐漸形成癡呆并早亡。除了膽堿酯酶抑制劑之外，目前沒有有效的治療措施，但此藥也只起到臨時(shí)的效果而無法解決根本問題。

AD的發(fā)病機(jī)制假說提出，該病是由異常的Aβ蛋白聚集所導(dǎo)致。因此，減少腦內(nèi)的Aβ蛋白水平是可行的治療策略。有研究顯示，用抗Aβ抗體治療轉(zhuǎn)基因PD模型小鼠可以恢復(fù)海馬的乙酰膽堿釋放并增強(qiáng)小鼠的學(xué)習(xí)能力[14]。也有證據(jù)表明蛋白酶類也可作為治療靶點(diǎn)以減少AD腦內(nèi)的Aβ水平，比如腎胰島素殘基溶酶、纖溶酶等。向腦內(nèi)有淀粉樣斑塊沉著的轉(zhuǎn)基因Aβ小鼠的腦內(nèi)注射過表達(dá)人腎胰島素殘基溶酶基因的成纖維細(xì)胞可以顯著減少其淀粉樣斑塊[15]。

神經(jīng)生長(zhǎng)因子(nerve growth factor,NGF)可以阻止動(dòng)物老化模型、興奮性毒素中毒模型和淀粉樣蛋白中毒模型的神經(jīng)死亡并且促進(jìn)其記憶功能改善[16]，因此顯示NGF可以用于治療AD。然而，限于其分子大小和所帶電荷，NGF無法透過血腦屏障。但基因治療技術(shù)可以解決這個(gè)問題，利用基因修飾細(xì)胞，NGF分子可以直接進(jìn)入大腦并彌散2～5毫米的距離[17]。其后的一項(xiàng)臨床試驗(yàn)顯示，基因修飾后可以表達(dá)人NGF的成纖維細(xì)胞植入患者腦內(nèi)后認(rèn)知減退的程度有所降低，同時(shí)，正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像 (positron emission tomography,PET)掃描顯示治療后患者皮層代謝顯著升高[18]。相對(duì)于成纖維細(xì)胞，干細(xì)胞具有更好的遷移能力[4,6,19]，因此，可以考慮被用于導(dǎo)入NGF從而治療AD。

三、亨廷頓病(HD)

HD是一種常染色體顯性遺傳性神經(jīng)退行性疾病，表現(xiàn)為無意識(shí)舞蹈樣動(dòng)作、認(rèn)知缺陷、情緒障礙。但是發(fā)病機(jī)制仍未明了，因此也無有效的治療措施。雖然胎腦細(xì)胞移植表現(xiàn)出了明確的治療效果[20]，但因?yàn)槭褂萌祟惻咛ソM織而帶來的倫理學(xué)問題是最大的障礙。因此，神經(jīng)干細(xì)胞應(yīng)該是理想的細(xì)胞來源，因?yàn)樗坏珔⑴c正常神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育而且可以根據(jù)環(huán)境調(diào)節(jié)分化成適當(dāng)?shù)募?xì)胞類型。有研究表明哺乳動(dòng)物的神經(jīng)干細(xì)胞可以起到治療作用，并且對(duì)興奮性毒素紅藻氨酸(kainate,KA)或喹啉酸(quinolinic acid,QA)破壞紋狀體所制作的HD動(dòng)物模型[21]都具有明確的治療效果，其中包括單純的神經(jīng)干細(xì)胞移植、基因修飾后能夠分泌神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的神經(jīng)干細(xì)胞移植等等手段,并且靜脈注射的輸入方式侵襲性很小。

以上這些提示我們，通過移植過表達(dá)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的神經(jīng)干細(xì)胞進(jìn)行應(yīng)該能夠有效阻止HD患者腦內(nèi)的病理改變。

四、肌萎縮側(cè)索硬化(ALS)

ALS又名為盧·格雷格病，是成年起病的漸進(jìn)而無情的神經(jīng)退行性疾病，表現(xiàn)為中樞神經(jīng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的變性丟失，逐漸產(chǎn)生肌肉萎縮、肌力下降。因?yàn)锳LS的發(fā)病機(jī)制仍未闡明使得無法提出有效的治療手段，但多數(shù)研究集中針對(duì)如下原因：氧化應(yīng)激、蛋白聚集、線粒體功能障礙、軸漿運(yùn)輸受損、谷氨酸介導(dǎo)的興奮性中毒和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子生成不足[22]。

因?yàn)楦杉?xì)胞具有多向分化潛能的特性，研究者把小鼠胚胎干細(xì)胞來源的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元移植入運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元損傷的大鼠[23]、或者把來自胚胎的神經(jīng)干細(xì)胞[24]分化形成的神經(jīng)元移植入ALS模型小鼠均獲得促進(jìn)ALS動(dòng)物模型功能恢復(fù)的效果。此外，通過移植的干細(xì)胞或來源于干細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元所分泌的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子治療運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元損傷或丟失的方法也是有效的[25]。因此，神經(jīng)干細(xì)胞移植這種沒有明顯副作用的治療方式對(duì)ALS患者來說是可以考慮采用的。

五、多發(fā)性硬化(MD)

MD以少突膠質(zhì)細(xì)胞和髓鞘磷脂的炎性破壞為特點(diǎn)。而β-干擾素只能改善部分患者的臨床癥狀[26]。因此，找到有效的治療措施是亟待解決的問題。

有研究者把分離自人胎腦的少突膠質(zhì)前體細(xì)胞或組織碎塊植入存在基因缺陷的shiverer突變小鼠腦內(nèi)發(fā)現(xiàn)可以誘導(dǎo)髓鞘再生[27]。但是該方法依然受制于倫理、宗教等障礙。此外，胚/胎腦組織中不可避免地混有多種神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞以及神經(jīng)前體細(xì)胞，使得移植治療的結(jié)果無法預(yù)測(cè)。而這個(gè)困難可以通過采用來源于干細(xì)胞的少突膠質(zhì)細(xì)胞的方法來解決，后來的研究也提供了相應(yīng)的依據(jù)：少突膠質(zhì)細(xì)胞可以由人或小鼠的胚胎干細(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞[28]等分化得到。而且此類細(xì)胞的應(yīng)用也為MS患者的治療帶來了希望。

六、展望

干細(xì)胞移植和基因治療廣泛開展應(yīng)用之前必須明確兩點(diǎn)：第一，何種類型的干細(xì)胞用于移植最理想；第二，干細(xì)胞移植的成瘤性問題。除了神經(jīng)干細(xì)胞，神經(jīng)元可以從多種干細(xì)胞獲得：胚胎干細(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、臍帶血間充質(zhì)干細(xì)胞、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞等等，因此我們面臨一個(gè)選擇的問題：究竟哪種細(xì)胞最適合用于移植治療。鑒于神經(jīng)干細(xì)胞在腦內(nèi)的存在部位已經(jīng)明確，所以從成體神經(jīng)干細(xì)胞分化得到神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞只是時(shí)間問題。既然干細(xì)胞可以從成體組織中分離得到，為什么我們依然從胚胎組織分化得到需要的干細(xì)胞呢？迄今為止的大多數(shù)研究均顯示，胚/胎來源的干細(xì)胞比它們?cè)诔审w的復(fù)本細(xì)胞更具可塑性和多能性。

先前的研究已經(jīng)證實(shí)，來源于胚胎干細(xì)胞或神經(jīng)干細(xì)胞的神經(jīng)元或膠質(zhì)細(xì)胞具有自我更新能力并可用于治療各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病，包括：帕金森病、亨廷頓病、肌萎縮側(cè)索硬化、阿爾茨海默病、多發(fā)性硬化等等。然而，應(yīng)用干細(xì)胞治療相關(guān)疾病仍然面臨各種障礙：①干細(xì)胞來源的神經(jīng)元或膠質(zhì)細(xì)胞移植到宿主腦內(nèi)后的長(zhǎng)期存活率和表型穩(wěn)定性還不是十分理想；②雖然干細(xì)胞來源的神經(jīng)細(xì)胞經(jīng)過了高度純化，但依然可能含有雜質(zhì)細(xì)胞，并且它們與宿主之間的相互作用是無法預(yù)料的。③少數(shù)干細(xì)胞可能在移植后不但不分化反而形成腫瘤。

眾所周知，外源性信號(hào)和內(nèi)源性遺傳信號(hào)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞分化多樣性上扮演著重要角色。把相關(guān)信號(hào)分子或者調(diào)控基因?qū)敫杉?xì)胞從而獲得目標(biāo)細(xì)胞已經(jīng)成為可能。在未來的研究道路上仍有許多工作等待我們?nèi)ネ瓿?，比如進(jìn)一步明確有關(guān)干細(xì)胞增殖、分化、整合的信號(hào)分子；探究宿主腦內(nèi)最適合移植干細(xì)胞存活、增殖以及修復(fù)損傷所需的內(nèi)環(huán)境等等。

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1671-2897(2016)15-561-03

汪凱，主治醫(yī)師，E-mail:wangkaiqd401@hotmail.com

*通訊作者：辛濤，主任醫(yī)師，E-mail:xtdlcc@hotmail.com

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2013-10-12；

2013-11-20)