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1、內(nèi)源性NSCs在神經(jīng)損傷中的激活及遷移機制解剖科學(xué)進展ProgressofAnatomicalSciences2008,14(4):441-444,448內(nèi)源性NSCs在神經(jīng)損傷中的激活及遷移機制郭亮,黃河清,徐海偉(第三軍醫(yī)大學(xué)1.生理學(xué)教研室;2.附屬西南醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科,重慶400038)【摘要】神經(jīng)干細胞是一種具有自我更新能力的多潛能分化細胞,在神經(jīng)損傷后,腦室下區(qū)和海馬齒回顆粒下層的神經(jīng)干細胞能夠增殖,在細胞因子和其他蛋白質(zhì)的作用下,增殖的干細胞可能會靶向性遷移到損傷區(qū),分化成神經(jīng)元或神經(jīng)膠質(zhì)細胞修復(fù)和替代壞死或凋亡的神經(jīng)元.在遷移過程中,炎癥因子,生長因子,趨化因子等通過一系列信號轉(zhuǎn)導(dǎo)
2、途徑引導(dǎo)干細胞的遷移,但遷移的因子之間,因子與細胞之間關(guān)系網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜,受多種因子綜合作用的影響,因此目前對內(nèi)源性神經(jīng)干細胞的靶向性遷移機制尚不清楚.【中圖分類號】R322.8【文獻標識碼】A【文章編號】10062947(2008)04044104TheActivationandMigrativeMechanismoftheEndogenousNeuralStemCellsCausedbyNerveInjuryGUOLiang,HUANGHEqing,XUHaiwei(1Departmentofphysiology;2DepartmentofNeurology,SouthwestHospital;
3、ThirdMilitaryMedicalUniversity,Chongqing400038China)【Abstract】Neuralstemcellsareakindofself-renewalcellsthathavethefunctionofmuhipotentialdifferentiation.Whenthebrainisinjured,theneuralstemcellsinsubventricularzone(SVZ)andsubgranualzone(SGZ)ofdentategyruscanproliferateandmigratetargetelytoinjuredreg
4、iontoreplacethenecrosisorapoptosisneuronsundertheguidingofcytokinesandproteins.Duringtheprocessofmigration,variouskindsoffactors,likeinflammatoryfactors,growthfactorsandchemotacticfactors,contolandregulatethemigrationofneuralstemcellsviaaseriesofsignaltransductionpathway.However,therelationshipbetwe
5、enthefactorsandcellsiscomplicated,themechanismsthatendogenousneuralstemcellstargetelymigratetoinjuredregionarenotclear.Thisreviewfocusesontheprogerssofrecentresearchonmigrationmechanismofendogenousneuralstemcellinthebraininjuryanddegenerativedisease.神經(jīng)干細胞(NeuralStemCell,NSCs)是神經(jīng)系統(tǒng)中能夠增殖分化成神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞的
6、祖細胞,它具有高度的自我更新能力,多分化潛能,低免疫原性等特點,同時也具備一定的定向遷移能力及良好的組織融合性.神經(jīng)干細胞的研究給因退行性病變或損傷所致神經(jīng)元丟失為特征的疾病如帕金森氏病,阿爾茨海默病,腦卒中,脊髓損傷的細胞替代治療帶來了希望.目前,利用NSCs治療神經(jīng)損傷和退行性病變一般采用兩種策略,一種是外源性神經(jīng)于細胞的移植,另一種是內(nèi)源性神經(jīng)干細胞的活化,由于植入的神經(jīng)干細胞不能與體內(nèi)正常的細胞建立纖維聯(lián)系以及存活的條件與時間等問題的限制,因此,原位誘導(dǎo)內(nèi)源性NSCs活化并靶向性遷移至病灶和損傷灶,分化為神經(jīng)元并修復(fù)和替代受損【收稿日期】20080618%通訊作者(Towhomcorr
7、espondenceshouldbeaddressed)的神經(jīng)細胞是治療神經(jīng)損傷和退行性病變的熱點與希望.目前已知激活內(nèi)源性NSCs的因素有:腦缺血,腦外傷,癲癇及某些神經(jīng)系統(tǒng)退行性病變等.這些病理因素能促進腦內(nèi)室管膜下區(qū)和海馬齒狀顆粒下層的NSCs增殖,并且通過損傷區(qū)釋放出的炎癥因子,趨化因子,蛋白質(zhì)等引導(dǎo)其靶向性遷移.引導(dǎo)內(nèi)源性NSCs遷移的因子之間,因子與細胞之間,基質(zhì)與細胞之間復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)以及各類因子,蛋白質(zhì)究竟通過什么機制引導(dǎo)神經(jīng)干細胞遷移尚不清楚.1成年腦內(nèi)內(nèi)源性神經(jīng)干細胞的分布及激活因素在損傷后,中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)源性神經(jīng)干細胞的來源包括兩種途徑:(1)靜息態(tài)NSCs被激活;NSCs在
8、大腦中廣泛分布,包括室管膜下區(qū)(SVZ),?442?解剖科學(xué)進展2008年第14卷第4期脊髓,海馬顆粒下層(SGZ)等.腦組織受損傷后,SVZ和海馬SGZ的NSCs被激活,在誘導(dǎo)因子的作用下向損傷部位遷移并分化為神經(jīng)細胞.(2)成熟神經(jīng)細胞的逆向分化;在神經(jīng)系統(tǒng)病理狀態(tài)下,成熟細胞可發(fā)生細胞骨架的胚胎化,出現(xiàn)胚胎神經(jīng)上皮細胞特性的再表達,這種NSCs有人認為是少突膠質(zhì)細胞的前體細胞.日前已知激活內(nèi)源性神經(jīng)干細胞的病理因素如下.1.1腦缺血腦缺血可激活腦內(nèi)SVZ的NSCsJc殖并且向嚴重缺血損傷的紋狀體遷移最終分化為神經(jīng)元,取代缺血壞死神經(jīng)元并與蒼白球和黑質(zhì)建立起新的纖維聯(lián)系,重建部分基底核的運
9、動環(huán)路.腦缺血模型有兩種,不同模型揭示的遷移方式是不相同的.對全腦缺血動物模型的結(jié)果進行觀察和分析,發(fā)現(xiàn)室管膜下區(qū)和齒狀回有神經(jīng)干細胞增殖,增殖的干細胞有向皮質(zhì),海馬遷移的現(xiàn)象.;在沙鼠大腦中動脈結(jié)扎的前腦缺血模型中,1wai等認為前腦缺血后的內(nèi)源性NSCs的變化大致分為增殖,遷移,分化三個階段,在SvZ增殖的NSCs經(jīng)過喙側(cè)遷移流遷移到嗅球,最終分化為成熟神經(jīng),內(nèi)源性NSCs的激活可能與腦缺血后機體的應(yīng)激反應(yīng)以及生長因子,炎癥因子,趨化因子等表達有關(guān).1.2腦外傷腦外傷后有兩種方案可能會使神經(jīng)系統(tǒng)得到修復(fù),一是神經(jīng)干細胞移植,二是誘導(dǎo)自身神經(jīng)干細胞的遷移.前者在免疫方面具有排斥性且細胞來源不
10、足,而腦外傷可激活內(nèi)源性神經(jīng)干細胞,腦外傷后,局部神經(jīng)組織發(fā)生變性,誘發(fā)炎癥反應(yīng),通過一些炎癥因子及趨化因子的表達,激活神經(jīng)干細胞的遷移.此外局部的神經(jīng)干Dash等發(fā)現(xiàn)興奮毒性和機械損傷海馬齒狀回顆粒層可刺激神經(jīng)前體細胞增殖,增殖的細胞大部分標有成熟神經(jīng)元標記物鈣結(jié)合蛋白,神經(jīng)前體細胞增殖,遷移可能與外傷刺激干細胞受體Ckit的激活有關(guān).1_3癲癇癲癇發(fā)生的機制主要是因為大腦異常放電造成神經(jīng)組織異常興奮,病理灶是直接或間接造成癲癇發(fā)生的病理基礎(chǔ),癲癇發(fā)作可誘導(dǎo)前腦室管膜下區(qū)內(nèi)的神經(jīng)元增加,在某些細胞因子的作用下遷移至異常放電灶,替代異常神經(jīng)元,癲癇持續(xù)狀態(tài)發(fā)作可增加齒狀回的神經(jīng)發(fā)生,在驚厥劑誘
11、導(dǎo)的癲癇模型中研究發(fā)現(xiàn)癲癇激活神經(jīng)元主要與癲癇區(qū)神經(jīng)細胞的FGF一2,IGF一1表達有關(guān),誘導(dǎo)齒狀回神經(jīng)發(fā)牛1.4神經(jīng)變性疾病研究發(fā)現(xiàn),當腦內(nèi)神經(jīng)元發(fā)生退行性死亡后,新皮質(zhì)中的神經(jīng)前體細胞開始分裂并產(chǎn)生新的神經(jīng)元,這些新生神經(jīng)元表達膠質(zhì)纖維酸性蛋白(GFAP),且具有遷移的能力,表明內(nèi)源性神經(jīng)干細胞具有一定的修復(fù)能力,可能與神經(jīng)元發(fā)生退行性病變后腦內(nèi)微環(huán)境的變化激活神經(jīng)干細胞有關(guān).在神經(jīng)變性疾病PD的早期,局部多巴胺能神經(jīng)元丟失后,室管膜下區(qū)的神經(jīng)干細胞被激活,在因子的引導(dǎo)下靶向性遷移至丟失區(qū),使神經(jīng)系統(tǒng)得到一定的修復(fù).在AD患者中,局部神經(jīng)元纖維纏結(jié)釋放出信號,激活神經(jīng)干細胞發(fā)生增殖與遷移,
12、但大部分比較嚴重的退行性疾病仍不能被修復(fù).2內(nèi)源性NSC的靶向性遷移途徑及其機制許多實驗研究已經(jīng)證實神經(jīng)干細胞可以向病灶處遷移,包括脊髓和紋狀體,海馬,腦室,嗅球,小腦等.Wu等將表達熒光蛋白的海馬源性神經(jīng)嵴移植入用紅藻氨酸損害的年輕小鼠的脊髓,移植后二周,四周分別進行觀察,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)移植后的細胞在脊髓中存活,其中有些植入細胞表達星形膠質(zhì)細胞標記GFAP,有些植入細胞表達神經(jīng)元標記一Tublin,植入的GFP陽性細胞被發(fā)現(xiàn)遷移lJ2mm遠的部位,提示胚胎源性神經(jīng)嵴細胞能夠存活,分化,遷移,整合入脊髓.SVZ和海馬SGZ是成體腦組織最大的可分裂神經(jīng)干細胞庫,SVZ的NSCs在沿著喙側(cè)遷移流向嗅球
13、鏈狀遷移過程中NSCs既不突破周圍的星形膠質(zhì)細胞帶,也不向比嗅球更近的其他腦區(qū)遷移,提示這種長距離遷移受到信號物質(zhì)的引導(dǎo).研究發(fā)現(xiàn),參與引導(dǎo)神經(jīng)前體細胞遷移的因子包括:生長因子,炎癥因子,趨化因子,酶及其它細胞因子.2.1炎癥因子在細胞因子中有一些因子介導(dǎo)炎癥反應(yīng),如:型干擾素(IFN一-y),腫瘤壞死因子(1NF),白細胞介素(IJ廣2).神經(jīng)損傷后,IL一2等促進TNF的合成,TNF在神經(jīng)干細胞的遷移過程中起到不足輕視的作用,TNF激活受體通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用于I-cB激酶復(fù)合體,經(jīng)過磷酸化,泛素化使磷酸化抑制性蛋白發(fā)生構(gòu)象改變從NFKB脫落,使NFKB得以活化,NFKB通過蛋白激酶A(PKA
14、)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑促進神經(jīng)干細胞的增殖.許多炎癥因子還可以作為炎性刺激物使體內(nèi)原有的神經(jīng)細胞產(chǎn)生趨化因子參與干細胞的遷移,Belmadani.等提出一些炎性刺激物2008年第l4卷第4期郭亮等內(nèi)源INSCs在神經(jīng)損傷中的激活及遷移機制?443?如:IFN一,gpl20可激活小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞合成大量趨化因子,細胞因子,參與神經(jīng)前體細胞的遷移.在對正常和白血病小鼠模型的研究中發(fā)現(xiàn),在一些炎癥因子的作用下,如:IL一2的應(yīng)用,使得PTK活性增加,并且造血干細胞向高密度空間轉(zhuǎn)移在用了IFNg的模型中,PTK活性降低,這表明IL一2,IFNg對造血干細胞起的遷移作用是因為酪氨酸激酶途徑的激活,同理,
15、神經(jīng)干細胞與造血干細胞有相似的生物學(xué)特征,神經(jīng)干細胞的遷移是否受酪氨酸激酶途徑的調(diào)控,還有待研究.2.2生長因子生長因子對缺血等神經(jīng)損傷引起的神經(jīng)干細胞的增殖,遷移分化起重要作用,大多數(shù)的生長因子通過結(jié)合受體,激活下游的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑導(dǎo)致細胞特定基因的表達,使細胞增殖,遷移或分化.比如,受體激活有絲分裂原激活蛋白激酶(MAPK)促進神經(jīng)干細胞的增殖”,胰島素樣生長因子(IGF)通過MAPK或者細胞外信號調(diào)控的激酶途徑在有絲分裂原存在的情況下促進神經(jīng)干細胞的增殖”.然而,有些生長因子卻通過激活細胞核蛋白促進神經(jīng)干細胞的分化.比如,轉(zhuǎn)化生長因子131(TGFB1)可通過細胞周期抑制蛋白的表達阻止細胞
16、的增殖,促進干細胞的分化并遠離細胞分裂池向損傷處遷移151.腦損傷后,血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)也促進神經(jīng)干細胞的遷移”,其機制可能是促進腳手架蛋白IQGAP1的表達通過鳥苷三磷酸酶cdc42/Rael參與神經(jīng)前體細胞的遷移,IQGAP1本身存在于神經(jīng)前提細胞和NSCsJ胞漿內(nèi),但可以和膜整合蛋白相互作用.此外,間充質(zhì)干細胞(SDF1)是屬于生長因子的一類,其通過ERK1/2和PI一3K信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑參與神經(jīng)遷移的調(diào)節(jié)”.在神經(jīng)損傷后,神經(jīng)前體細胞CXCR4受體表達上調(diào)而促進其遷移,Tivemn(等用敲除CRCR4的小鼠發(fā)現(xiàn)SDF一1在皮質(zhì)室管膜下神經(jīng)干細胞和中間帶細胞的相互識別中起重要作用.
17、SDF一1在缺血大腦半球的表達水平明顯增加,用抗CXCR4抗體能削弱NPc的遷移.,提示SDF一1通過其受體CXCR4導(dǎo)NPC向大腦缺血處遷移.2.3酶酶是一類具有廣泛生物活性效應(yīng)的蛋白質(zhì),尤其是一些金屬酶類通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在干細胞遷移分化過程中起到至關(guān)重要的作用.研究發(fā)現(xiàn),神經(jīng)嵴通過基質(zhì)的金屬蛋白釋放酶(MMPS)使神經(jīng)前體細胞從室管膜下區(qū)遷移到嗅腦.Petridis”等發(fā)現(xiàn)多形唾液酸性(polysialicacid,PSA)蛋白酶在NSCs的遷移中也起重要作用.PSA是神經(jīng)細胞粘連因子的同聚物,通過阻止細胞因子與細胞之間的黏附而達到降低細胞間的黏附作用,從而引導(dǎo)NSCs的遷移.在神經(jīng)損傷后
18、,神經(jīng)細胞誘導(dǎo)表達PSA,促進NSCs的定向遷移.當腦組織損傷后,基質(zhì)被破壞釋放出一些酶類,這些酶類可能會使Notch受體表達上調(diào),當Notch受體被識別后,激活MAPK系統(tǒng),最終通過激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激動子(STAT),促進NSCs:L殖,遷移.2-4趨化因子趨化因子分為外源性化學(xué)趨化因子和內(nèi)源性趨化因子,常見的外源性趨化因子是細菌產(chǎn)物,內(nèi)源性趨化因子包括補體成分(主要是C5a)和白細胞三烯(主要是B4).Belmadani等發(fā)現(xiàn):小鼠的單核細胞趨化蛋白一1(monocytechemoattractantprotein一1,MCP一1)敲除后,神經(jīng)前體細胞向損傷處的遷移顯著減少,表明神經(jīng)損
19、傷后,炎性細胞促進趨化蛋白(趨化因子)的表達,引導(dǎo)干細胞的遷移.同時,單核細胞趨化蛋白一1(monocytechemoattraetantprotein一1,MCP一1)能夠使神經(jīng)干細胞遠離細胞分裂池,阻止其增殖.神經(jīng)干細胞趨化因子受體的表達也對細胞的遷移起重要作用,據(jù)研究,維A酸能促進受體的表達,當維A酸缺乏時,受體表達降低,遷移至大腦皮質(zhì)的神經(jīng)元減少2.5其它細胞因子在細胞因子中,除了炎癥因子,生長因子以及趨化因子外,還有集落刺激因子(CSF)中的紅細胞生成素亦可促進干細胞的增殖與遷移.細胞損傷后,細胞外基質(zhì)分泌的配體層粘連蛋白和纖維連接蛋白,作用于神經(jīng)嵴細胞表面的整合素促進細胞的遷移.紅
20、細胞生成素(erythropoietin,EPO)是調(diào)節(jié)紅細胞成熟的重要因子,最近發(fā)現(xiàn)EPO在神經(jīng)發(fā)生以及中風(fēng)患者的恢復(fù)中起重要作用,當NSC上的EPO受體被敲除后,中風(fēng)動物的神經(jīng)功能恢復(fù)受到顯著影響,其機制可能是引導(dǎo)神經(jīng)干細胞的遷移【27】3內(nèi)源性NSCs靶向性遷移的意義及應(yīng)用內(nèi)源性NSC靶向性遷移后能修復(fù)和替代受損的神經(jīng)細胞,重建神經(jīng)環(huán)路和細胞功能,給神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病,腦卒中和腦缺血的治療帶來了希望.AD的病理學(xué)特征有大量神經(jīng)原纖維纏結(jié)(NFT),淀粉樣蛋白(A)的形成和神經(jīng)元的丟失.內(nèi)源性NSCs的增殖,靶向性遷移以及分化為可修復(fù)和替代受損的神經(jīng)細胞從而修復(fù)腦組織,但A可抑制取自大?4
21、44?解剖科學(xué)進展2008年第14卷第4期鼠腦室下區(qū)/腦皮質(zhì)區(qū)的NSCs和源自人胚胎的NSCs殖,分化,并能誘導(dǎo)其調(diào)亡.另一種中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性病變PD,主要是因為中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元變性壞死,造成紋狀體DA含量下降而表現(xiàn)出的震顫性麻痹等一系列疾病.靶向性遷移的NSCs可替代受損的DA神經(jīng)元,但Vescovi等發(fā)現(xiàn),在體外實驗中沒有誘導(dǎo)因素干預(yù)下,NSCs自然分化為多巴胺能神經(jīng)元的比例只占細胞總數(shù)的0.5%2.5%.當大腦缺血或腦出血造成腦組織損傷時,Nsc能在腦內(nèi)快速遷移并整合到損傷側(cè)大腦半球的多個缺血損傷區(qū),其中有部分遷移到損傷區(qū)邊緣(缺血半暗帶),分化為神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細胞參與腦組織的
22、修復(fù).一般在損傷后的3到7天,損傷區(qū)釋放出的信號最有利于神經(jīng)干細胞發(fā)生遷移,并且有可能誘導(dǎo)神經(jīng)干細胞表達營養(yǎng)因子,細胞因子對缺血半暗帶的細胞起到營養(yǎng)作用,但是NSC定向分化為有主要修復(fù)功能的神經(jīng)元比例太低,大部分都分化為神經(jīng)膠質(zhì)細胞,形成膠質(zhì)瘢痕;癲癇發(fā)生的機制主要是因為大腦異常放電造成神經(jīng)組織異常興奮,病理灶是直接或間接造成癲癇發(fā)生的病理基礎(chǔ).通過神經(jīng)干細胞的靶向性遷移至病理灶,替代損傷的神經(jīng)元,重建細胞環(huán)路,阻止異常放電的神經(jīng)元放電,達到治療目的.但是NSCs在分化過程大部分都分化為神經(jīng)膠質(zhì)細胞,形成膠質(zhì)瘢痕,形成另一個病理癲癇灶.展望利用NSCs的遷移性治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病成為有前景的策
23、略,但由于NSC定向分化為神經(jīng)元的比率太低,大部分都分化為神經(jīng)膠質(zhì)細胞;細胞的遷移機制復(fù)雜:不同的細胞因子對細胞的增殖,遷移分化的調(diào)控作用有交叉的現(xiàn)象,甚至同細胞因子在不同的條件下對細胞發(fā)生的調(diào)控作用都不相同,有些細胞因子的具體調(diào)控機制也尚未研究清楚,只是通過實驗現(xiàn)象進行推測;遷移的途徑不清楚:是否通過體內(nèi)既定的遷移途徑進行遷移,到達損傷部位的神經(jīng)細胞有多少,能否和周圍的細胞建立正常的纖維聯(lián)系.因此,如何激活內(nèi)源性NSCs并將其引導(dǎo)遷移到正確的部位并分化為有修復(fù)功能的神經(jīng)元,是內(nèi)源性NSCs用于治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病急待解決的問題.當然,如果能對諸類問題進行更深入的研究,相信在不久的將來,缺血性
24、腦損傷,退行性等中樞系統(tǒng)疾病也能得到很好的解決.【參考文獻】【1AbeK.TherapeuticpotentialofneurotrophicfactorsandneuralstemceilsagainstischemicbraininjuryJ.Cerebbloodflowmetab,2000,20(1o1:1393-1408.2KondoT,RalfM.OligodendrocyteprecursorcellsreprogrammedtobecomemuhipotentCNSstemcellJ.Science,2000,289(13):17541757.33LiuJ,SolwayK,Mes
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33、interactionbetweenprojectionneuronprecursorsandinvadinginterneuronsvia(下轉(zhuǎn)第448頁)?448?解剖科學(xué)進展2008年第14卷第4期經(jīng)元的修復(fù);提供新的神經(jīng)元,重建神經(jīng)環(huán)路;分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子,營養(yǎng)受損傷的神經(jīng)細胞,刺激和引導(dǎo)宿主纖維與移植物的整合和聯(lián)系,加強突觸聯(lián)系,促進細胞存活,樹突形成及軸突再生.因此,運用組織工程治療神經(jīng)系統(tǒng)損傷性疾病具有廣泛的應(yīng)用前景.【參考文獻】1SanesJR,MarshallLM,McmahanUJ.Reinnervationofmusclefiberbasallaminaafterremov
34、alofmyofibers:differentiatonofregeneratingaxonsatoriginalsynaptiesitsJ.JCellBiol,1978,78:175-182.2MackinnonSE,HudsonAR,FalkRE,eta1.Peripheralnerveallograft.,.14(2):.南豐,李靖年,王鴻飛,等.雪旺細胞基底膜移植結(jié)合神經(jīng)生長因子局部應(yīng)用創(chuàng)造脊髓再生適宜環(huán)境促進部分功能恢復(fù)現(xiàn)代康復(fù),):一.4】鄭桂芬,辛?xí)程?安貴林,等.受體血漿冷凍異體神經(jīng)橋接神經(jīng)缺損的形態(tài)學(xué)研究J1.中華手外雜志,l6(2):一.5,.一,64f11:.,.,63(
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