外傷或中風(fēng)引起的腦損傷是成人死亡和殘疾的主要原因。不幸的是,很少有干預(yù)措施對腦組織損傷后修復(fù)有效。
在關(guān)于內(nèi)源性神經(jīng)發(fā)生是否確實發(fā)生在成年人腦中的長期爭論之后,現(xiàn)在有大量證據(jù)支持其發(fā)生。盡管損傷通常會顯著刺激神經(jīng)發(fā)生,但神經(jīng)干/祖細(xì)胞內(nèi)源分化的修復(fù)潛力通常不足。另外,外源干細(xì)胞移植在動物模型中顯示出有希望的結(jié)果,但長期存活率差和神經(jīng)元分化效率低等局限性使其在臨床應(yīng)用中仍然具有挑戰(zhàn)性。
成人神經(jīng)再生的多功能策略:干細(xì)胞移植修復(fù)受損大腦的途徑
在這篇綜述中,我們旨在總結(jié)成人神經(jīng)發(fā)生三個不同方面的歷史研究和最新進(jìn)展:內(nèi)源性神經(jīng)發(fā)生、外源性干細(xì)胞移植和直接膠質(zhì)細(xì)胞到神經(jīng)元的轉(zhuǎn)換。
內(nèi)源性神經(jīng)發(fā)生:關(guān)于神經(jīng)再生基礎(chǔ)的爭論
20世紀(jì)初,西班牙著名神經(jīng)科學(xué)家Ramon y Cajal聲稱神經(jīng)發(fā)生僅發(fā)生在胚胎發(fā)育過程中。因此,幾十年來人們一直相信成人大腦中不會出現(xiàn)新的神經(jīng)元。Altman(1962)通過提供第一個證據(jù)證明成年嚙齒動物大腦中可以產(chǎn)生新的神經(jīng)元,對這一觀點提出了挑戰(zhàn)。雖然隨后的證據(jù)支持這種可能性,但相應(yīng)的放射自顯影和組織學(xué)技術(shù)被認(rèn)為是有爭議的,并且多年來對這一新興領(lǐng)域的關(guān)注較少。20世紀(jì)90年代,基于抗體的生物標(biāo)志物檢測方法等新技術(shù)的迅速發(fā)展,越來越多的證據(jù)進(jìn)一步支持了成年嚙齒動物大腦中神經(jīng)發(fā)生的存在。
室下區(qū)(SVZ)和顆粒下區(qū)(SGZ)是成年嚙齒動物大腦中兩個特征明確的神經(jīng)源性生態(tài)位。然而,神經(jīng)發(fā)生是否發(fā)生在成年人身上仍然存在爭議。因此,在解決改善ABI結(jié)果的神經(jīng)源性策略之前,有必要考慮支持或反駁這一重要概念的論點。
經(jīng)典神經(jīng)源性生態(tài)位:嗅球、紋狀體和皮質(zhì)中SVZ衍生的神經(jīng)發(fā)生
二十多年前,成年神經(jīng)發(fā)生領(lǐng)域的先驅(qū)團(tuán)體之一Alvarez-Buylla及其同事將SVZ星形膠質(zhì)細(xì)胞鑒定為成年嚙齒類動物大腦中的神經(jīng)干細(xì)胞 (NSC)。后來研究人員發(fā)現(xiàn),在小鼠和大鼠中,SVZ中的NSC可以通過遷移到紋狀體或皮層并分化為神經(jīng)元來對中風(fēng)引起的腦損傷做出快速反應(yīng)。動物研究中鼓舞人心的結(jié)果使許多科學(xué)家和臨床醫(yī)生相信通過刺激SVZ內(nèi)源性神經(jīng)發(fā)生來促進(jìn)紋狀體和皮質(zhì)中風(fēng)后神經(jīng)修復(fù)的可行性。新方法為成人大腦中神經(jīng)發(fā)生的存在提供了新的證據(jù)。
經(jīng)典神經(jīng)發(fā)生生態(tài)位:海馬SGZ衍生的神經(jīng)發(fā)生
海馬體是學(xué)習(xí)和記憶最重要的大腦區(qū)域。它非常容易受到腦損傷,并且也受到癡呆癥,特別是阿爾茨海默病的影響。齒狀回SGZ中的NSC可以補充海馬神經(jīng)元,以整合到現(xiàn)有的神經(jīng)回路中。20世紀(jì)90年代,F(xiàn)red Gage小組報告了大鼠和小鼠的年齡依賴性海馬神經(jīng)發(fā)生。嚙齒動物的神經(jīng)源性活動可以通過豐富的環(huán)境和跑步來增強。
新穎的神經(jīng)源性生態(tài)位
嚙齒類動物的成年神經(jīng)發(fā)生可能不僅限于SVZ和SGZ,因為在其他腦區(qū)也有報道,如下丘腦、黑質(zhì)和杏仁核。與SVZ和SGZ相比,這些大腦區(qū)域的神經(jīng)發(fā)生似乎表現(xiàn)出年齡依賴性下降。隨著人類研究的深入,探索這些新的潛在神經(jīng)源性生態(tài)位是否可能在損傷后恢復(fù)中具有治療相關(guān)性將會很有趣。
總而言之,經(jīng)典神經(jīng)源性生態(tài)位中的成體神經(jīng)發(fā)生在嚙齒類動物中得到了充分研究,但在人類中仍然存在爭議。表格1)。
神經(jīng)源性生態(tài)位 | 主要技術(shù) | 成人神經(jīng)發(fā)生 | 參考 |
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SVZ | 免疫染色 | 不 | 薩奈等人,2011 |
是的 | 金等人,2006 | ||
IdU 標(biāo)記、14 C 標(biāo)記、免疫染色 | 是的 | 恩斯特等人,2014 | |
SGZ | BrdU 標(biāo)記、免疫染色 | 是的 | 埃里克森等人,1998 |
14 C標(biāo)記、免疫染色 | 是的 | 斯伯丁等人,2013 | |
免疫染色 | 是的 | 丹尼斯等人,2016 | |
不 | 諾蓋拉等人,2018;索雷爾斯等人,2018 | ||
體視免疫染色 | 是的 | 博爾德里尼等人,2018 | |
單細(xì)胞測序、免疫染色 | 不屬于人類 | 弗蘭吉克等人,2022 | |
是的 | 周等人,2022 |
目前可以獲得大量有關(guān)健康成人神經(jīng)發(fā)生的信息,并且在TBI或中風(fēng)患者中,只要可以獲得高質(zhì)量的大腦樣本。在許多創(chuàng)傷性腦損傷和中風(fēng)病例中,皮質(zhì)、紋狀體和海馬體是受影響的關(guān)鍵大腦區(qū)域。如果成年人的神經(jīng)發(fā)生在這些區(qū)域得到證實,那么開發(fā)增強內(nèi)源性神經(jīng)發(fā)生的藥物策略對于補償神經(jīng)元損失可能非常有價值。
然而,由于內(nèi)源性神經(jīng)發(fā)生在成年人中似乎充其量也極其有限,因此依靠這種機制可能不足以切實改善患者的治療結(jié)果。因此,需要探索利用外源性神經(jīng)源的補充策略來恢復(fù)ABI病例的神經(jīng)功能。
外源干細(xì)胞移植:安全且有效?
由于內(nèi)源性神經(jīng)發(fā)生可能不足以修復(fù)腦損傷,因此引入外源性干細(xì)胞成為一種有前途的補充或替代策略。近年來,干細(xì)胞移植已在動物模型中廣泛探索,以治療腦和脊髓損傷以及神經(jīng)退行性疾病。盡管這些研究證明了不同干細(xì)胞療法在動物模型中具有強大的神經(jīng)保護(hù)和神經(jīng)修復(fù)能力,并引發(fā)了多項臨床試驗,但目前尚不清楚這些策略是否有益于腦損傷患者。
干細(xì)胞的來源
干細(xì)胞的常見來源:包括間充質(zhì)干細(xì)胞/基質(zhì)細(xì)胞 (MSC)、胚胎干細(xì)胞 (ESC)、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 (iPSC) 和神經(jīng)干細(xì)胞,所有這些細(xì)胞至少可以在體外分化為成熟的神經(jīng)元。
干細(xì)胞治療常用的不同干細(xì)胞的特點總結(jié)如下:表2
細(xì)胞類型 | 來源 | 優(yōu)勢 | 壞處 | 參考 |
---|---|---|---|---|
間充質(zhì)干細(xì)胞 | 各種成人組織 | 來源廣泛,倫理問題較少,移植排斥和腫瘤發(fā)生的風(fēng)險低 | 神經(jīng)分化能力有限 | 烏魯?shù)賮喌热耍?019;Fri?ová 等人,2020 |
神經(jīng)干細(xì)胞 | 流產(chǎn)胎兒的大腦 | 神經(jīng)分化的比能力 | 來源極其有限,存在重大倫理問題、移植排斥和腫瘤發(fā)生的風(fēng)險 | 哈里森,2012;Fri?ová 等人,2020 |
胚胎干細(xì)胞 | 胚胎 | 高效神經(jīng)分化 | 來源有限和主要倫理問題、移植排斥和腫瘤發(fā)生的風(fēng)險 | Fri?ová 等人,2020;瓦拉德茲-巴爾巴等人,2020 |
誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 | 原則上任何組織,通常是皮膚或血液 | 來源無限,無倫理問題,移植排斥風(fēng)險低 | 操作過程中基因組的不穩(wěn)定性、技術(shù)/經(jīng)濟(jì)障礙、致瘤風(fēng)險 | Fri?ová 等人,2020;瓦拉德茲-巴爾巴等人,2020 |
干細(xì)胞移植治療腦損傷的動物研究
迄今為止,人們已經(jīng)做出了大量努力來研究干細(xì)胞移植對嚙齒動物腦損傷模型的影響。二十多年前,靜脈注射大鼠骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞被用于治療大鼠腦缺血性損傷。
為了更好地適應(yīng)潛在的臨床并發(fā)癥,后來的研究將非人類靈長類動物甚至人類干細(xì)胞引入嚙齒動物模型中。例如,移植用視黃酸處理的猴源ECS來誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞,可顯著改善實驗性腦損傷小鼠的運動功能。
此后不久,據(jù)報道,在中風(fēng)小鼠模型中,猴胚胎干細(xì)胞誘導(dǎo)的神經(jīng)元祖細(xì)胞在移植后存活并增殖直至4周。同樣,之前的研究表明,人類胎兒神經(jīng)干細(xì)胞在移植到缺血性中風(fēng)大鼠體內(nèi)后至少4周內(nèi)會分化為神經(jīng)元并增殖。
干細(xì)胞移植治療腦損傷的臨床試驗
這些有希望的結(jié)果加速了干細(xì)胞療法在創(chuàng)傷性腦損傷、中風(fēng)和其他腦損傷的臨床試驗中的應(yīng)用。
在一項涉及97名治療TBI患者和69名對照TBI患者的臨床試驗中,通過腰椎穿刺將自體骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞移植到蛛網(wǎng)膜下腔后,未報告明顯的不良反應(yīng),并且運動功能得到改善。通過類似的程序,使用臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞和胎兒神經(jīng)和造血細(xì)胞的療法也表現(xiàn)出安全性,但在TBI恢復(fù)中的療效有些有限。
對于中風(fēng)治療,改良的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(SB623細(xì)胞)被認(rèn)為是安全的,并且在一項包含18名患者的I/IIa期研究中提供了顯著的臨床改善。一項對65名接受干細(xì)胞治療和58名接受安慰劑治療的患者進(jìn)行的隨機對照II期研究表明,靜脈注射多能成體祖細(xì)胞通過了安全性評估,但主要終點神經(jīng)功能恢復(fù)尚未達(dá)到。
此外,一項針對23名中風(fēng)患者的多中心單臂研究得出結(jié)論,胎兒神經(jīng)干細(xì)胞腦內(nèi)植入是可行的,并且可以適度改善上肢功能,其中一名患者在治療3個月后有所改善,三名患者在治療6-12個月后有所改善。
盡管試驗間差異較大(即累積移植細(xì)胞劑量從1×106至1×109個細(xì)胞不等),但干細(xì)胞移植的安全性和可行性已在幾乎所有臨床試驗中得到證實,不良反應(yīng)可接受且較低腫瘤發(fā)生的機會。然而,必須指出的是,幾乎所有已發(fā)表的臨床研究都是I/II期試驗,治療組患者少于100名。盡管有一些跡象表明某些適應(yīng)癥有好處,但統(tǒng)計功效不足以得出干細(xì)胞治療后神經(jīng)功能恢復(fù)顯著改善的結(jié)論,而且主要終點主要顯示治療組和對照組之間差異不大。表3)。
ABI型 | 臨床試驗類型 | 患者體型 | 干細(xì)胞類型/劑量 | 主要結(jié)論 | 參考 |
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創(chuàng)傷性腦損傷 | 非隨機、開放標(biāo)記、干預(yù)性隊列研究 | 97例接受治療,69例控制 | 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞/5×10 6 | 97名患者中有38名的意識或運動功能得到改善 | 田等人,2013 |
隨機、單盲對照臨床研究 (ChiCTR-TNRC-11001528) | 20名治療者和20 名對照者 | UC-MSCs/4×10 6 | 通過FMA和FIM 評估改善神經(jīng)功能 | 王等人,2013 | |
隨機研究,未指定 | 38名治療者和38 名對照者 | 人胎腦、神經(jīng)及造血肝組織/200×10 6 | 治療促進(jìn)意識覺醒和神經(jīng)康復(fù) | ||
缺血性中風(fēng) | 單臂、開放標(biāo)簽研究、I/IIa 期試驗 (NCT01287936) | 18名患者接受治療(3組,每組6名患者) | 改良BM-MSC (SB623)/2.5×10 6、5.0×10 6或10×10 6 | 治療與12個月時的改善相關(guān) | 斯坦伯格等人,2016 |
隨機、雙盲、安慰劑對照、II 期試驗 (NCT01436487) | 65名接受治療的患者和58名接受安慰劑的患者 | 多能成體祖細(xì)胞/4×10 8 –1.2×10 9 | 主要終點無顯著改善 | 赫斯等人,2017 | |
多中心、單臂、開放標(biāo)簽研究 (EudraCT 2012-003482-18) | 23治療 | 人胎兒NSCs/2×10 7 | 23名患者中有4名上肢運動得到改善 | 繆爾等人,2020 |
膠質(zhì)細(xì)胞到神經(jīng)元的直接轉(zhuǎn)換:損傷后神經(jīng)發(fā)生的新時代?
與其他類群相比,哺乳動物的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞比例較高。在無脊椎動物模型(如秀麗隱桿線蟲或黑腹果蠅)的大腦中,神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的比例不到25%。相比之下,小鼠大腦中約65%的細(xì)胞是膠質(zhì)細(xì)胞。早期研究表明,人腦中約有一萬億個神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞,神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞與神經(jīng)元的比例為10:1。然而,最近的證據(jù)表明,膠質(zhì)細(xì)胞與神經(jīng)元的比例為1:1更準(zhǔn)確地描述了成人大腦,膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量估計下降到4000-1.3億個。有趣的是,在成人大腦中,包括星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞前體(OPCs)在內(nèi)的膠質(zhì)細(xì)胞可以不斷產(chǎn)生子細(xì)胞。
如果神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞向神經(jīng)元的轉(zhuǎn)化真的發(fā)生了,那么神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞就可能代表一個內(nèi)源性的、幾乎無限的細(xì)胞池,用于補充腦損傷后失去的神經(jīng)元。我們將重點關(guān)注ABI的潛在治療應(yīng)用,并在下文中總結(jié)了 “神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞到神經(jīng)元 “細(xì)胞轉(zhuǎn)換的最新進(jìn)展。
星形膠質(zhì)細(xì)胞到神經(jīng)元的重編程
雖然星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元最初都起源于NSCs,但這兩種細(xì)胞類型最終都產(chǎn)生于特定的、命運受限的(神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞)祖細(xì)胞,它們表現(xiàn)出不同的分化路徑。因此,通過簡單而可行的重編程方法發(fā)現(xiàn)從星形膠質(zhì)細(xì)胞到神經(jīng)元的直接轉(zhuǎn)換路徑是一項重大突破。
OPC到神經(jīng)元重編程
成熟的髓鞘化少突膠質(zhì)細(xì)胞為大型神經(jīng)軸突提供髓鞘,對保障神經(jīng)連接至關(guān)重要。然而,人們認(rèn)為它們的增殖潛力極為有限。相比之下,廣泛存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)灰質(zhì)和白質(zhì)區(qū)域的一小部分表達(dá)NG2的OPCs,可以很容易地增殖并分化成成熟的少突膠質(zhì)細(xì)胞。盡管OPCs具有干細(xì)胞特性,但其是否也能生成星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元仍存在爭議。2008年,Rivers等人報告說,NG2+膠質(zhì)細(xì)胞主要能在前腦產(chǎn)生少突膠質(zhì)細(xì)胞,在較小程度上能產(chǎn)生神經(jīng)元,但不能在灰質(zhì)或白質(zhì)產(chǎn)生星形膠質(zhì)細(xì)胞。因此,需要更多確鑿證據(jù)來說服科學(xué)家和臨床醫(yī)生相信在體內(nèi)對NG2+膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行重編程的可行性。
小膠質(zhì)細(xì)胞到神經(jīng)元的重編程
小膠質(zhì)細(xì)胞是特化的中樞神經(jīng)系統(tǒng)駐留巨噬細(xì)胞,來源于胚胎卵黃囊中的原始髓樣前體細(xì)胞。在大多數(shù)研究中,研究人員關(guān)注的重點是小膠質(zhì)細(xì)胞的吞噬功能,如清除受損神經(jīng)元的碎片,以及它們在中風(fēng)后神經(jīng)炎癥中作為促炎和抗炎狀態(tài)調(diào)節(jié)器的雙重作用。
表4總結(jié)了神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元直接重編程的主要研究成果。
有趣的一點是,在所有類型的中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷中,包括中風(fēng)、創(chuàng)傷性腦損傷和脊髓損傷,神經(jīng)膠質(zhì)疤痕都會迅速形成,并在初期起到防止損傷擴大的屏障作用。然而,在慢性恢復(fù)階段,神經(jīng)膠質(zhì)疤痕會抑制神經(jīng)再生并誘發(fā)神經(jīng)炎癥反應(yīng)。膠質(zhì)疤痕主要由反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞組成,此外還有NG2+膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞,它們在損傷后會被激活并迅速增殖。
如上所述,據(jù)報道,所有這三種類型的膠質(zhì)細(xì)胞都可能具有直接重編程為神經(jīng)元的能力。這為治療腦損傷提供了一種誘人的策略:抑制膠質(zhì)細(xì)胞的活化以限制膠質(zhì)疤痕的形成并減輕過度炎癥,同時利用膠質(zhì)細(xì)胞的增殖能力將其重新編程為功能性神經(jīng)元。
結(jié)論與展望
神經(jīng)元損傷的特征是ABI后立即發(fā)生,并且在慢性階段損傷將進(jìn)一步加劇,導(dǎo)致進(jìn)行性神經(jīng)元死亡。為了盡量減少或防止這種結(jié)果,確認(rèn)成人神經(jīng)發(fā)生的存在至關(guān)重要。然而,考慮到成人大腦中的神經(jīng)發(fā)生似乎非常有限,即使在受傷后迅速受到刺激,這種機制也可能是不夠的。另外,外源干細(xì)胞移植已在臨床試驗中顯示出安全性和可行性;然而,其療效仍有待III期研究驗證。
同樣,神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞向神經(jīng)元轉(zhuǎn)化的進(jìn)展為腦損傷后的神經(jīng)發(fā)生開辟了一條新途徑,但其可靠性仍不確定。目前關(guān)于成體神經(jīng)發(fā)生的基礎(chǔ)及其通過干細(xì)胞移植和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞到神經(jīng)元轉(zhuǎn)換進(jìn)行神經(jīng)修復(fù)的潛力的知識總結(jié)于圖1。
盡管神經(jīng)發(fā)生在成人大腦中的存在仍存在爭議,但預(yù)計損傷刺激的神經(jīng)發(fā)生只能在有限程度上彌補神經(jīng)元的損失。外源移植間充質(zhì)干細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞或誘導(dǎo)多能干細(xì)胞被認(rèn)為可替代性地增強損傷后的神經(jīng)發(fā)生,并已在臨床試驗中進(jìn)行了評估。
最近的研究進(jìn)一步提出,神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞(包括星形膠質(zhì)細(xì)胞、OPCs和小膠質(zhì)細(xì)胞)有可能重編程為神經(jīng)元,并在腦損傷后補充神經(jīng)元群體,這為腦損傷治療提供了一條新途徑。
研究技術(shù)的不斷改進(jìn)正穩(wěn)步拓寬我們在成體神經(jīng)發(fā)生領(lǐng)域的知識??傊?,盡管仍然存在巨大的障礙,但毫無疑問,利用定向干細(xì)胞移植療法修復(fù)大腦的新時代已經(jīng)到來。
參考資料:Zhao J, Liu S, Xiang X, Zhu X. Versatile strategies for adult neurogenesis: avenues to repair the injured brain. Neural Regeneration Research. 2024 Apr;19(4):774-780. DOI: 10.4103/1673-5374.382224. PMID: 37843211; PMCID: PMC10664121.
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