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研究背景

神经干细胞(neural stem cell)具有分化为神经神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞的能力,能自我更新,并足以提供大量脑组织细胞的细胞群。是一类具有分裂潜能和自更新能力的母细胞,它可以通过不对等的分裂方式产生神经组织的各类细胞。长期以来,人们一直认为成年哺乳动物脑内神经细胞不具备更新能力,一旦受损乃至死亡不能再生。这种观点使人们对中枢神经系统疾病的治疗受到了很大限制。虽然传统的药物、手术及康复治疗取得了一定的进展,但是仍不能达到满意的效果。1992年,Reynodls等从成年小鼠脑纹状体中分离出能在体外不断分裂增殖,且具有多种分化潜能的细胞群,并正式提出了神经干细胞的概念,从而打破了认为神经细胞不能再生的传统理论。Mckay于1997年在《Science》杂志上将神经干细胞的概念总结为:具有分化为神经元、星形胶质细胞及少突胶质细胞的能力,能自我更新并足以提供大量脑组织细胞的细胞。如下图所示。

患病部位组织损伤后释放各种趋化因子,可以吸引神经干细胞聚集到损伤部位,并在局部微环境的作用下分化为不同种类的细胞,修复及补充损伤的神经细胞。由于缺血、缺氧导致的血管内皮细胞、胶质细胞的损伤,使局部通透性增加,另外在多种黏附分子的作用下,神经干细胞可以透过血脑屏障,高浓度的聚集在损伤部位;神经干细胞可以分泌多种神经营养因子,促进损伤细胞的修复。神经干细胞可以增强神经突触之间的联系,建立新的神经环路。
信号转导在神经干细胞分化中十分重要。作为一种信号传导途径,Notch信号传导系统尚未完全阐明。认为Notch受体是一种整合型膜蛋白,是一个保守的细胞表面受体,它通过与周围配体接触而被激活,其信号传导途径开始于Notch受体与配体结合后其胞浆区从细胞膜上脱落,并向细胞核转移,将信号传递给下游信号分子。该途径的信号传递主要是通过蛋白质相互作用,引起转录调节因子的改变或将转录调节因子结合到靶基因上,实现对特定基因转录的调控。当激活Notch途径时,干细胞进行增殖,当抑制Notch活性时,干细胞进入分化程序。这些研究结果表明找到调节Notch信号途径的方式,就可能通过改变Notch信号来精确调控神经干细胞向神经功能细胞分化的过程和比例。此外,Janus激酶信号转导递质与转录激活剂(JAK-STAT)信号传导系统也参与干细胞的调控。
神经干细胞在神经发育和修复受损神经组织中发挥重要作用。神经干细胞移植是修复和代替受损脑组织的有效方法,能重建部分环路和功能。此外神经干细胞可作为基因载体,用于颅内肿瘤和其它神经疾病的基因治疗,利用神经干细胞作为基因治疗载体,弥补了病毒载体的一些不足。Wagner等将神经干细胞移植到帕金森病模型的鼠脑,神经干细胞在其脑组织中迁移并修复损毁的脑组织,且震颤症状明显减轻,可能是神经干细胞分化成为多巴胺能神经元起到治疗作用。Piccini等从流产胎儿脑中分离的神经组织细胞,移植入患者的脑中治疗帕金森病,结果有一半以上的患者症状得到明显改善,而且效果持续存在。多发性硬化是发病率较高的神经系统疾病,在其啮齿类动物模型中发现产生髓鞘的少突胶质细胞被破坏或失去功能,将神经干细胞直接移植到鼠脑中,移植的细胞在脑中发生了大范围的迁移,在分化成的少突胶质细胞中,约40%的细胞形成了髓鞘,其特性非常接近正常状态,一些接受移植的动物其典型的症状也得到了明显的改善。脑胶质瘤是医学治疗的难点之一,手术切除肿瘤困难,且容易复发,放疗和化疗对肿瘤有一定的作用。由于神经干细胞具有迁移的功能,利用这种特性可以向脑部释放药物。对鼠神经干细胞进行转基因处理,使之分泌IL-4,这种物质能够激活免疫系统,对肿瘤细胞发生抗瘤攻击,患有脑胶质瘤的实验鼠接受这种细胞注射之后,寿命比未治疗的实验鼠大大延长,核磁共振成像表明,实验鼠脑部的大块肿瘤有缩小的迹象,有趣的是,即使注射的神经干细胞不分泌IL-4,实验鼠的寿命也会延长。Ling等认为这是由于神经干细胞还能分泌一种能够减缓肿瘤细胞分裂的未知物质的缘故。此外,神经干细胞对于判断药效及药物毒性等也有一定实用价值,如可以利用神经干细胞培养技术观察某些天然化合物和合成化合物的神经活性,为发展小分子治疗药物提供理论基础。
神经干细胞应用中存在的问题:建立的神经干细胞系绝大多数来源于鼠,而鼠与人之间存在着明显的种属差异;神经干细胞的来源不足;部分移植的神经干细胞发展成脑瘤;神经干细胞转染范围的非选择性表达及转染基因表达的原位调节;利用胚胎干细胞代替神经干细胞存在着社会学及伦理学方面的问题等。(神经干细胞系的建立可以无限地提供神经元和胶质细胞,解决了胎脑移植数量不足的问题,同时避免了伦理学方面的争论,为损伤后进行代替治疗提供了充足的种子细胞)。神经干细胞的来源、分离、培养及鉴定还有许多工作要做,神经干细胞诱导、分化及迁移机制有待进一步研究。通过细胞培养技术及基因组的研究,如DNA微列阵技术,进一步明确成体神经干细胞的确切位置,可以设计药物特异性地激活这些细胞。进一步认识神经干细胞的本质和控制分化基因,通过调控靶基因,可以从神经干细胞诱导产生特定的分化细胞来满足各种需要。横向分化的发现对神经干细胞的研究和应用具有重要意义,人们可望从自体中分离诱导出神经干细胞,有可能解决神经干细胞的来源问题,神经干细胞的应用将有广阔的前景。
研究模型
我们已经掌握了神经干细胞的原代分离培养:将新生大鼠处死后无菌条件下分离端脑及中脑部分,仔细剥除脑膜,剪碎后将组织块加入胰酶/EDTA中,37度消化20分钟,其间每5分钟轻轻摇动—次。用含10%FBS的DMEM/F12终止反应后加入DNA酶I,室温消化10分钟,使用前端抛光的吸管轻柔吹打成单细胞悬液,经200目筛网过滤。收集滤液, 800-1000转离心5分钟,弃上淸,加入D-Hanks液轻柔吹打洗涤,离心,重复2次。用NSC完全培养液重悬细胞。原代培养7天后可形成悬浮生长的克隆细胞球,如下图所示。

研究案例
目的:盐酸氟西汀调控神经干细胞信号通路及下游基因表达的实验研究
结论:在大鼠NSC中,抗抑郁药物盐酸氟西汀可以上调pAKT和pERK1/2的蛋白表达水平;盐酸氟西汀的作用与PI3K/AKT和MEK/ERK信号转导通路密切相关。
路线:
  • PI3K信号转导途径对大鼠NSC的存活、增殖、分化起重要作用
  • MAPK信号通路对大鼠NSC的存活、增殖、分化起重要作用
  • 在大鼠NSC模型中,盐酸氟西汀可以上调磷酸化AKT和磷酸化ERK1/2的蛋白表达水平,在盐酸氟西汀激活AKT和ERK1/2的过程中,PI3K/AKT信号通路与MEK/ERK信号通路之间在AKT-ERK1/2水平存在着“对话”现象
  • 在大鼠NSC模型中,盐酸氟西汀可以上调BDNF、GDNF、LIF和BCL-2的基因表达水平,而且是通过PI3k/AKT或(和)MEK/ERK信号转导途径上调上述基因的表达。
核心文献
  • Zika Virus Infects Human Cortical Neural Progenitors and Attenuates Their Growth. Cell Stem Cell. 2016 Mar 3;S1934-5909(16)00106-5. http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1934-5909(16)00106-5
  • Long Neural Genes Harbor Recurrent DNA Break Clusters in Neural Stem/Progenitor Cells. Cell. 2016 Feb 11;164(4):644-55.
  • Neural stem cells sustain natural killer cells that dictate recovery from brain inflammation. Nat Neurosci. 2016 Jan 11;nn.4211.
  • Latent tri-lineage potential of adult hippocampal neural stem cells revealed by Nf1 inactivation. Nat Neurosci. 2015 Dec;18(12):1722-4
  • Opposing intrinsic temporal gradients guide neural stem cell production of varied neuronal fates. Science. 2015 Oct 16;350(6258):317-20

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