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