1 神經(jīng)干細胞的特點
神經(jīng)干細胞的特點如下 :①神經(jīng)干細胞可以分化。②通過分裂產(chǎn)生相同的神經(jīng)干細胞來維持自身的存在 ,同時 ,也能產(chǎn)生子細胞并進一步分化成各種成熟細胞。干細胞可連續(xù)分裂幾代 ,也可在較長時間內(nèi)處于靜止狀態(tài)。③神經(jīng)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(jīng)干細胞 ;另一種是非對稱分裂 ,由于細胞質(zhì)中的調(diào)節(jié)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(jīng)干細胞保留下來。分化細胞的數(shù)目受分化前干細胞的數(shù)目和分裂次數(shù)控制。
2 神經(jīng)干細胞與其它類型干細胞的關(guān)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(tài)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(fā)育成完整個體的能力 ,發(fā)育潛能受到一定的限制 ;第三類是單能干細胞 ,如神經(jīng)干細胞等 ,這種細胞只能向一種類型或密切相關(guān)的兩種類型的細胞分化。然而橫向分化的發(fā)現(xiàn) ,使這個觀點受到了挑戰(zhàn) ,神經(jīng)干細胞可以分化成造血細胞�？傊� ,生命體通過干細胞的分裂來實現(xiàn)細胞的更新及保證持續(xù)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(shù)的快速發(fā)展 ,按照一定的目的 ,在體外人工分離、培養(yǎng)干細胞 ,利用干細胞構(gòu)建各種細胞、組織及器官作為移植來源 ,將成為干細胞應(yīng)用的主要方向。
3 神經(jīng)干細胞的分布
神經(jīng)管形成以前 ,在整個神經(jīng)板檢測到神經(jīng)干細胞的選擇性標記物神經(jīng)巢蛋白 (nestin),是細胞的骨架蛋白。構(gòu)成小鼠神經(jīng)板的細胞 ,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)干細胞是否具有相同的誘導(dǎo)機制。神經(jīng)管形成后 ,神經(jīng)干細胞位于神經(jīng)管的腦室壁周邊。關(guān)于成腦神經(jīng)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(jīng)干細胞。研究發(fā)現(xiàn)脊髓、隔區(qū)也分離出神經(jīng)干細胞 ,這些研究表明 ,神經(jīng)干細胞廣泛存在于神經(jīng)系統(tǒng)。在中央管周圍的神經(jīng)干細胞培養(yǎng)后亦可形成神經(jīng)球并產(chǎn)生神經(jīng)元。脊髓損傷時 ,來自于神經(jīng)干細胞的神經(jīng)元新生受到抑制 ,而神經(jīng)膠質(zhì)細胞明顯增多 ,其機制可能與生成神經(jīng)元的微環(huán)境有關(guān)。
4 神經(jīng)干細胞的分化機制
神經(jīng)干細胞定向誘導(dǎo)分化調(diào)控是目前神經(jīng)干細胞研究的重大課題 ,腦內(nèi)主要組織細胞包括神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞及少突膠質(zhì)細胞等。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)揮各自獨特的功能。雖然神經(jīng)干細胞應(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)界研究的熱點之一。
神經(jīng)干細胞的分化受基因調(diào)控。基因表達的時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。胚胎干細胞向神經(jīng)干細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)干細胞向所需功能神經(jīng)細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、時相性地表達等復(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(guān)系密切的細胞群之間發(fā)現(xiàn)那些有表達差別的基因 ,則可為這些相關(guān)細胞群所發(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)染胚胎干細胞 ,再經(jīng)維甲酸誘導(dǎo) ,可獲得90 %以上的神經(jīng)細胞。Giebel等表達Nurrl基因?qū)τ谥心X神經(jīng)前體細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)干細胞的定向分化密切相關(guān)。
細胞因子與神經(jīng)干細胞的增殖、分化密切相關(guān)。不同的細胞因子在神經(jīng)干細胞的誘導(dǎo)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(jīng)干細胞全部誘導(dǎo)分化為所需的功能神經(jīng)細胞 ,參與神經(jīng)干細胞誘導(dǎo)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(jīng)營養(yǎng)因子對神經(jīng)干細胞分化到終末細胞的整個過程均有影響 ,如果將培養(yǎng)的神經(jīng)干細胞置于腦源性神經(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胞生長因子等也影響神經(jīng)干細胞的分化。神經(jīng)干細胞對不同種類、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胞生長因子存在的條件下 ,胚胎神經(jīng)干細胞主要向神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞分化 ,而出生后及成年的腦神經(jīng)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(zhì)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(jīng)干細胞向功能細胞的誘導(dǎo)分化是復(fù)雜的。
信號轉(zhuǎn)導(dǎo)在神經(jīng)干細胞分化中十分重要。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(dǎo)途徑開始于Notch受體與配體結(jié)合后其胞漿區(qū)從細胞膜上脫落 ,并向細胞核轉(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 ,實現(xiàn)對特定基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)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(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)干細胞向神經(jīng)功能細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)也參與干細胞的調(diào)控。
5 神經(jīng)干細胞的應(yīng)用
神經(jīng)干細胞在神經(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(jīng)干細胞移植到帕金森病模型的鼠腦 ,神經(jīng)干細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 ,在其嚙齒類動物模型中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生髓鞘的少突膠質(zhì)細胞被破壞或失去功能 ,將神經(jīng)干細胞直接移植到鼠腦中 ,移植的細胞在腦中發(fā)生了大范圍的遷移 ,在分化成的少突膠質(zhì)細胞中 ,約40 %的細胞形成了髓鞘 ,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)干細胞進行轉(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) ,對腫瘤細胞發(fā)生抗瘤攻擊 ,患有腦膠質(zhì)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(jīng)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(jīng)干細胞還能分泌一種能夠減緩腫瘤細胞分裂的未知物質(zhì)的緣故。此外 ,神經(jīng)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(jīng)干細胞培養(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)干細胞應(yīng)用中存在的問題
目前建立的神經(jīng)干細胞系絕大多數(shù)來源于鼠 ,而鼠與人之間存在著明顯的種屬差異 ;神經(jīng)干細胞的來源不足 ;部分移植的神經(jīng)干細胞發(fā)展成腦瘤;神經(jīng)干細胞轉(zhuǎn)染范圍的非選擇性表達及轉(zhuǎn)染基因表達的原位調(diào)節(jié) ;利用胚胎干細胞代替神經(jīng)干細胞存在著社會學(xué)及倫理學(xué)方面的問題等。
7 展望
目前神經(jīng)干細胞的來源、分離、培養(yǎng)及鑒定還有許多工作要做 ,神經(jīng)干細胞誘導(dǎo)、分化及遷移機制有待進一步研究。通過細胞培養(yǎng)技術(shù)及基因組的研究 ,如DNA微列陣技術(shù) ,進一步明確成體神經(jīng)干細胞的確切位置 ,可以設(shè)計藥物特異性地激活這些細胞。進一步認識神經(jīng)干細胞的本質(zhì)和控制分化基因 ,通過調(diào)控靶基因 ,可以從神經(jīng)干細胞誘導(dǎo)產(chǎn)生特定的分化細胞來滿足各種需要。橫向分化的發(fā)現(xiàn)對神經(jīng)干細胞的研究和應(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)干細胞 ,有可能解決神經(jīng)干細胞的來源問題�？傊� ,神經(jīng)干細胞的應(yīng)用將有廣闊的前景。