汪凯 辛涛

(解放军第401医院神经外科，山东 青岛 266071)

·综述·

干细胞治疗中枢神经系统退行性疾病研究进展

汪凯 辛涛*

(解放军第401医院神经外科，山东 青岛 266071)

干细胞; 细胞治疗; 基因转染; 神经系统退行性疾病; 移植

中枢神经系统退行性疾病是由慢性进行性中枢神经组织退变所导致的疾病，包括帕金森病(Parkinson′s disease,PD)、阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)、亨廷顿病(Huntington′s disease，HD)、肌萎缩侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)、多发性硬化(multiple sclerosis,MS)等,均是由于脑或脊髓的神经元或胶质细胞的丢失所导致。针对神经系统疾病的细胞移植和基因转导治疗的研究已广泛开展并取得了良好结果，但细胞来源问题却成了发展的障碍。多年来，人们已成功地从胚胎干细胞、间充质干细胞等多种干细胞分化得到了神经元或胶质细胞，并用于治疗神经系统疾病的研究。此文中，我们回顾了针对帕金森病等神经系统退行性疾病的干细胞移植治疗的相关研究，探讨了干细胞治疗神经系统退行性疾病的应用前景。

干细胞被定义为能够自我更新并向多种细胞分化的一类细胞。胚胎干细胞(embryonic stem cells,ESCs)和胚胎生殖细胞(embryonic germ cells,EGCs)分化成多种器官与组织的能力已经被证实[1]。还有后来出现的诱导多能干细胞(induced pluripotent,iPSc)，该细胞是通过向成体细胞(如皮肤成纤维细胞)导入胚胎发育相关基因而得到的[2]。除上述细胞之外，处于更高发育阶段的各组织中也可分离出相应的组织特异性干细胞，如造血干细胞、脐带血间充质干细胞、骨髓间充质干细胞和神经干细胞等等。最近，Shu等[3]的报道带给干细胞领域一个新的惊喜，他们仅使用四个分子化合物就成功地将分化成熟的小鼠成体细胞诱导成为可以重新分化发育为各种组织器官的，即处于去分化状态的“多潜能”细胞，更令人惊奇的是他们利用这种细胞成功地培育出了小鼠。

研究显示，神经干细胞存在于人的胚胎和成人脑内[4]。上世纪90年代，出于诊断的目的，研究者向一部分癌症患者体内输入了5-溴脱氧尿苷，这些患者死后的检验证据显示在成人神经系统内有新生神经元不断产生[5]。但是为什么成年患者的中枢神经系统在损伤(外伤或疾病)后的自我修复能力是有限的？原因可能是在脑部内环境中，诱导神经干细胞增殖并向神经元分化的力量太弱所致。

通过导入原癌基因，研究者获得了能不断分裂增殖的永生化神经干细胞系，并且已证实在移植入动物模型体内后可以定植并分化成神经元和胶质细胞[6]。细胞移植和基因治疗这些策略均可用于治疗神经退行性疾病，包括：PD、AD等[7,8]。该综述回顾了干细胞治疗神经系统退行性疾病的相关研究。

一、帕金森病 (PD)

PD的主要病理特征是黑质的多巴胺(dopamine,DA)能神经元的大量丢失，从而引起纹状体内多巴胺的含量显著减少而致病，我国此类患者超过300万人。原发性PD的病因学还不明确，但倾向于如下几点：程序性细胞死亡、病毒感染以及环境毒作用。左旋多巴(levodopa,L-DOPA)虽然有一定治疗效果，但长期应用会出现严重的副作用[9]。

20世纪80年代，通过移植胎脑组织治疗PD患者获得了良好的效果[10]。但因为伦理、宗教原因使细胞来源存在障碍。此外，有报道显示移植后的胎脑细胞在患者脑内的存活率非常低，而且，要获得足够的用于移植的胎脑组织也并非易事。利用ESCs，间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)或者神经干细胞(neural stem cells,NSCs)分化得到DA神经元无疑是规避这些障碍的好办法。研究者已用过表达核受体相关因子1(nuclear related receptor 1,Nurr1)[11]、B细胞淋巴瘤-特大型(B-cell lymphoma-extra large,Bcl-xL)[12]等方式从干细胞得到多巴胺能神经元，在移植到帕金森病模型大鼠脑内后获得了一定程度的功能恢复。Kim等人还通过基因工程技术，用cDNA同时转导人类络氨酸羟化酶(tyrosine hydroxylase，TH，一种儿茶酚胺合成过程中的限速酶)和三磷酸鸟苷环化水解酶1(guanosine triphosphate cyclohydrolase 1,GTPCH1--四氢生物喋呤(tetrahydrobiopterine,BH4)合成过程中的首要限速酶)得到了能够产生L-DOPA的人神经干细胞系，把该细胞移植入PD模型大鼠脑内可以提高左旋多巴的浓度并带来长时间的功能恢复[13]。

二、阿尔茨海默病 (AD)

AD以遍及整个大脑的神经元和突触的变性、丢失为特点，尤其是基底节区、杏仁核、海马等区域。临床表现为进行性记忆和认知障碍，逐渐形成痴呆并早亡。除了胆碱酯酶抑制剂之外，目前没有有效的治疗措施，但此药也只起到临时的效果而无法解决根本问题。

AD的发病机制假说提出，该病是由异常的Aβ蛋白聚集所导致。因此，减少脑内的Aβ蛋白水平是可行的治疗策略。有研究显示，用抗Aβ抗体治疗转基因PD模型小鼠可以恢复海马的乙酰胆碱释放并增强小鼠的学习能力[14]。也有证据表明蛋白酶类也可作为治疗靶点以减少AD脑内的Aβ水平，比如肾胰岛素残基溶酶、纤溶酶等。向脑内有淀粉样斑块沉着的转基因Aβ小鼠的脑内注射过表达人肾胰岛素残基溶酶基因的成纤维细胞可以显著减少其淀粉样斑块[15]。

神经生长因子(nerve growth factor,NGF)可以阻止动物老化模型、兴奋性毒素中毒模型和淀粉样蛋白中毒模型的神经死亡并且促进其记忆功能改善[16]，因此显示NGF可以用于治疗AD。然而，限于其分子大小和所带电荷，NGF无法透过血脑屏障。但基因治疗技术可以解决这个问题，利用基因修饰细胞，NGF分子可以直接进入大脑并弥散2～5毫米的距离[17]。其后的一项临床试验显示，基因修饰后可以表达人NGF的成纤维细胞植入患者脑内后认知减退的程度有所降低，同时，正电子发射计算机断层显像 (positron emission tomography,PET)扫描显示治疗后患者皮层代谢显著升高[18]。相对于成纤维细胞，干细胞具有更好的迁移能力[4,6,19]，因此，可以考虑被用于导入NGF从而治疗AD。

三、亨廷顿病(HD)

HD是一种常染色体显性遗传性神经退行性疾病，表现为无意识舞蹈样动作、认知缺陷、情绪障碍。但是发病机制仍未明了，因此也无有效的治疗措施。虽然胎脑细胞移植表现出了明确的治疗效果[20]，但因为使用人类胚胎组织而带来的伦理学问题是最大的障碍。因此，神经干细胞应该是理想的细胞来源，因为它不但参与正常神经系统的发育而且可以根据环境调节分化成适当的细胞类型。有研究表明哺乳动物的神经干细胞可以起到治疗作用，并且对兴奋性毒素红藻氨酸(kainate,KA)或喹啉酸(quinolinic acid,QA)破坏纹状体所制作的HD动物模型[21]都具有明确的治疗效果，其中包括单纯的神经干细胞移植、基因修饰后能够分泌神经营养因子的神经干细胞移植等等手段,并且静脉注射的输入方式侵袭性很小。

以上这些提示我们，通过移植过表达神经营养因子的神经干细胞进行应该能够有效阻止HD患者脑内的病理改变。

四、肌萎缩侧索硬化(ALS)

ALS又名为卢·格雷格病，是成年起病的渐进而无情的神经退行性疾病，表现为中枢神经运动神经元的变性丢失，逐渐产生肌肉萎缩、肌力下降。因为ALS的发病机制仍未阐明使得无法提出有效的治疗手段，但多数研究集中针对如下原因：氧化应激、蛋白聚集、线粒体功能障碍、轴浆运输受损、谷氨酸介导的兴奋性中毒和神经营养因子生成不足[22]。

因为干细胞具有多向分化潜能的特性，研究者把小鼠胚胎干细胞来源的运动神经元移植入运动神经元损伤的大鼠[23]、或者把来自胚胎的神经干细胞[24]分化形成的神经元移植入ALS模型小鼠均获得促进ALS动物模型功能恢复的效果。此外，通过移植的干细胞或来源于干细胞的运动神经元所分泌的神经营养因子治疗运动神经元损伤或丢失的方法也是有效的[25]。因此，神经干细胞移植这种没有明显副作用的治疗方式对ALS患者来说是可以考虑采用的。

五、多发性硬化(MD)

MD以少突胶质细胞和髓鞘磷脂的炎性破坏为特点。而β-干扰素只能改善部分患者的临床症状[26]。因此，找到有效的治疗措施是亟待解决的问题。

有研究者把分离自人胎脑的少突胶质前体细胞或组织碎块植入存在基因缺陷的shiverer突变小鼠脑内发现可以诱导髓鞘再生[27]。但是该方法依然受制于伦理、宗教等障碍。此外，胚/胎脑组织中不可避免地混有多种神经元、胶质细胞以及神经前体细胞，使得移植治疗的结果无法预测。而这个困难可以通过采用来源于干细胞的少突胶质细胞的方法来解决，后来的研究也提供了相应的依据：少突胶质细胞可以由人或小鼠的胚胎干细胞、骨髓间充质干细胞[28]等分化得到。而且此类细胞的应用也为MS患者的治疗带来了希望。

六、展望

干细胞移植和基因治疗广泛开展应用之前必须明确两点：第一，何种类型的干细胞用于移植最理想；第二，干细胞移植的成瘤性问题。除了神经干细胞，神经元可以从多种干细胞获得：胚胎干细胞、骨髓间充质干细胞、脐带血间充质干细胞、诱导多能干细胞等等，因此我们面临一个选择的问题：究竟哪种细胞最适合用于移植治疗。鉴于神经干细胞在脑内的存在部位已经明确，所以从成体神经干细胞分化得到神经元和胶质细胞只是时间问题。既然干细胞可以从成体组织中分离得到，为什么我们依然从胚胎组织分化得到需要的干细胞呢？迄今为止的大多数研究均显示，胚/胎来源的干细胞比它们在成体的复本细胞更具可塑性和多能性。

先前的研究已经证实，来源于胚胎干细胞或神经干细胞的神经元或胶质细胞具有自我更新能力并可用于治疗各种神经系统疾病，包括：帕金森病、亨廷顿病、肌萎缩侧索硬化、阿尔茨海默病、多发性硬化等等。然而，应用干细胞治疗相关疾病仍然面临各种障碍：①干细胞来源的神经元或胶质细胞移植到宿主脑内后的长期存活率和表型稳定性还不是十分理想；②虽然干细胞来源的神经细胞经过了高度纯化，但依然可能含有杂质细胞，并且它们与宿主之间的相互作用是无法预料的。③少数干细胞可能在移植后不但不分化反而形成肿瘤。

众所周知，外源性信号和内源性遗传信号在中枢神经系统细胞分化多样性上扮演着重要角色。把相关信号分子或者调控基因导入干细胞从而获得目标细胞已经成为可能。在未来的研究道路上仍有许多工作等待我们去完成，比如进一步明确有关干细胞增殖、分化、整合的信号分子；探究宿主脑内最适合移植干细胞存活、增殖以及修复损伤所需的内环境等等。

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1671-2897(2016)15-561-03

汪凯，主治医师，E-mail:wangkaiqd401@hotmail.com

*通讯作者：辛涛，主任医师，E-mail:xtdlcc@hotmail.com

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2013-10-12；

2013-11-20)