神經(jīng)干細(xì)胞分化與神經(jīng)再生

神經(jīng)干細(xì)胞分化與神經(jīng)再生

傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，神經(jīng)過渡僅發(fā)生在嬰兒的胚胎期和出生后早期，并且成年肝細(xì)胞無法再生。近年來關(guān)于神經(jīng)再生機制的研究已經(jīng)取得很大的進展。研究表明成年嚙齒類和靈長類海馬、嗅球等部位可產(chǎn)生新的神經(jīng)元,具有一定再生能力。恢復(fù)成年神經(jīng)細(xì)胞再生能力對于治療一些頑固性疾病,如帕金森病、阿爾茨海默病、精神分裂癥以及抑郁癥等有很大作用,所以探討各種促進神經(jīng)再生作用的內(nèi)外因素是目前研究的熱點。本文對近幾年來國內(nèi)外關(guān)于神經(jīng)再生機制的研究進行了總結(jié)和分析。1bmps對神經(jīng)胞分化的調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞(neuralstemcells,NSCs)是一類具有分裂潛能和自我更新能力的母細(xì)胞,它可以通過不對等的分裂方式產(chǎn)生神經(jīng)組織的各類細(xì)胞。胚胎時期神經(jīng)的發(fā)生主要源于神經(jīng)干細(xì)胞的分化,早期神經(jīng)發(fā)生經(jīng)歷了3個階段:①神經(jīng)前體細(xì)胞的增殖;②神經(jīng)元的發(fā)生;③神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的發(fā)生。神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞先后由同一祖細(xì)胞分化而來,但各種細(xì)胞的發(fā)育具有時序性,首先生成的是神經(jīng)元,然后是星形膠質(zhì)細(xì)胞,最后是少突膠質(zhì)細(xì)胞。神經(jīng)干細(xì)胞的分化受多種因素的調(diào)控,是當(dāng)今神經(jīng)科學(xué)研究的熱點。巢蛋白陽性皮層前體細(xì)胞表面表達血小板源性生長因子(PDGF)和睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子(CNTF)2種受體蛋白。研究表明,PDGF與其受體結(jié)合后可以誘導(dǎo)前體細(xì)胞向神經(jīng)元方向分化。與之相反,CNTF受體激活后可以抑制前體細(xì)胞向神經(jīng)元的分化,促進其向星形膠質(zhì)細(xì)胞分化。堿性螺旋-環(huán)-螺旋轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子(basichelix-loop-helixtranscriptionfactor)是神經(jīng)干細(xì)胞分化過程中的重要調(diào)控分子,其決定因子基因包括Mash1和Ngns。前者促進神經(jīng)干細(xì)胞向神經(jīng)元分化,后者在促進神經(jīng)元生成的同時還可以抑制干細(xì)胞向神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞分化。骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMPs)家族同樣發(fā)揮了重要作用。BMPs抑制神經(jīng)前體細(xì)胞向少突膠質(zhì)細(xì)胞的分化,從而促進向星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元的分化。Notch信號系統(tǒng)是一個進化保守的跨膜受體蛋白家族,可以抑制神經(jīng)干細(xì)胞分化為神經(jīng)元,促進向膠質(zhì)細(xì)胞的分化。2神經(jīng)軸索及其他神經(jīng)網(wǎng)架的生長傳統(tǒng)觀點認(rèn)為中樞神經(jīng)損傷后不能再生,胚胎時期人體依靠神經(jīng)干細(xì)胞分化為神經(jīng)元和各種神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞,出生后神經(jīng)干細(xì)胞的分化受限制、神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞發(fā)育成熟、數(shù)量基本穩(wěn)定,可能與出生后原本那些促進神經(jīng)干細(xì)胞分化的因子缺失有關(guān)。但是對于這樣的結(jié)論目前尚未有明確的答案。近年來的相關(guān)研究使得人們對中樞神經(jīng)的再生有了新的認(rèn)識。中樞神經(jīng)系統(tǒng)表面和血管周圍都有基底膜,脊髓可被看做是一個基底膜管。研究發(fā)現(xiàn)在再生神經(jīng)軸索內(nèi),可看到類似于周圍神經(jīng)再生的生長錐,且軸索表面與星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞的突起相接觸,這些神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的突起向周圍空間延伸并形成網(wǎng)架,提示再生的軸索是沿著這些神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的突起網(wǎng)架而延伸的。此外,研究者也觀察到再生的軸索有沿著神經(jīng)膠質(zhì)界膜的基底膜下伸長的趨勢。CNS損傷后,神經(jīng)細(xì)胞凋亡或壞死,軸突髓鞘崩解,星形膠質(zhì)細(xì)胞被激活后分裂增生,小膠質(zhì)細(xì)胞也被激活,吞噬崩解產(chǎn)物。CNS和周圍神經(jīng)系統(tǒng)(PNS)損傷后,軸突和髓鞘的反應(yīng)是相同的,但是其所處的周圍細(xì)胞組織環(huán)境不同,說明神經(jīng)細(xì)胞周圍的細(xì)胞環(huán)境對神經(jīng)再生起到至關(guān)重要的作用。2.1影響中樞神經(jīng)再生的因素2.1.1抑制劑對神經(jīng)元再生的抑制作用①髓鞘相關(guān)糖蛋白(MAG)屬于免疫球蛋白超家族,位于中樞和周圍神經(jīng)髓鞘的軸突周圍區(qū),研究表明其可以抑制中樞神經(jīng)再生;②少突膠質(zhì)細(xì)胞髓鞘糖蛋白(OMgp)是一種CNS特異性糖蛋白,可阻斷有絲分裂信號途徑從而發(fā)揮生長抑制作用;③Nogo蛋白可抑制神經(jīng)生長活性,其分為兩個結(jié)構(gòu)域:Nogo-66和amino-Nogo。Nogo-66通過與NgR/p75NTR受體復(fù)合體相結(jié)合而發(fā)揮作用。2.1.2含蛋白聚糖的凝膠反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞指的是CNS損傷后增生肥大的星形膠質(zhì)細(xì)胞,可形成膠質(zhì)瘢痕,其中富含蛋白聚糖,可以限制細(xì)胞的遷移和神經(jīng)突起的生長。在神經(jīng)損傷的同時,反應(yīng)性增生的星形膠質(zhì)細(xì)胞也可以合成膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子,可以在適當(dāng)刺激下產(chǎn)生層黏蛋白(laminin,LN),促進神經(jīng)再生。2.1.3小膠質(zhì)細(xì)胞對神經(jīng)再生的作用在CNS損傷早期,具有吞噬能力的反應(yīng)性小膠質(zhì)細(xì)胞可被抑制,因此不能及時清除軸突和髓鞘的碎片和崩解產(chǎn)物,使得神經(jīng)再生不易進行。但小膠質(zhì)細(xì)胞可以分泌生長因子,促進神經(jīng)再生。以上介紹的星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞都具有神經(jīng)保護和神經(jīng)毒性的雙重作用。2.1.4水生神經(jīng)元的基因表達指神經(jīng)元受損后發(fā)生變化、并影響神經(jīng)再生的那些神經(jīng)元的內(nèi)在基因,其表達產(chǎn)物包括SCG10/CAP-23和GAP-43等都與再生能力有著密切的關(guān)系。2.2激活蛋白激酶a該轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的機制為:配體(如神經(jīng)遞質(zhì))與細(xì)胞膜上的特異性受體結(jié)合后,通過G蛋白偶聯(lián)激活腺苷酸環(huán)化酶(AC),催化生成第二信使cAMP,進而再激活蛋白激酶A(PKA),PKA將多種靶蛋白磷酸化并調(diào)節(jié)其活性。其中有一個重要的轉(zhuǎn)錄因子CAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白可以調(diào)節(jié)多種基因的轉(zhuǎn)錄。該通路具體作用機制為:①抑制Rho/ROCK級聯(lián)信號通路促進CNS軸突再生。②聯(lián)合神經(jīng)營養(yǎng)因子。腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)和膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(GDNF)可以增加cAMP的含量,從而阻礙MAG的抑制作用。③cAMP能促進成年人背根神經(jīng)節(jié)(DRG)和視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(RGC)軸突生長錐的出芽和再生。2.3cspgs抑制劑與顆粒神經(jīng)元的整合腦的神經(jīng)再生通過新生神經(jīng)細(xì)胞的產(chǎn)生來實現(xiàn),成年哺乳動物腦內(nèi),新生神經(jīng)元來自2個區(qū)域,側(cè)腦室的室管膜下區(qū)(SVZ)和海馬齒狀回顆粒下區(qū)(SGZ)。SVZ的細(xì)胞沿著局部血管的基膜相互作用,并被星形膠質(zhì)細(xì)胞包裹,形成一個延伸的細(xì)胞聚集帶,新生細(xì)胞通過這種鏈?zhǔn)竭w移的方式到達嗅球,并放射狀地向顆粒細(xì)胞層和球旁細(xì)胞層遷移,表達功能性γ-氨基丁酸(GABA)受體,最終整合為顆粒神經(jīng)元和球旁神經(jīng)元。而在SGZ中,新近的研究表明,表達胚胎干細(xì)胞關(guān)鍵蛋白(sox2)的神經(jīng)祖細(xì)胞可以分化為神經(jīng)元,還可分化為星形膠質(zhì)細(xì)胞,SGZ的新生細(xì)胞通過短距離遷移達到齒狀回的顆粒細(xì)胞層,在GABA作用下去極化和超極化,在2~4周長出樹突棘,新生顆粒細(xì)胞成熟后,便可像其他神經(jīng)元一樣接受谷氨酸能和GABA能神經(jīng)元的投射了。目前有研究發(fā)現(xiàn),硫酸軟骨素蛋白多糖(CSPGs)在腦室管膜下區(qū),海馬齒狀等處密集分布,而這些區(qū)域也正是成年腦神經(jīng)祖細(xì)胞集中分布的區(qū)域,并有實驗表明,CSPGs通過與肝素生長結(jié)合因子(如成纖維細(xì)胞生長因子)、神經(jīng)祖細(xì)胞等結(jié)合而實現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞的增殖。另外,研究表明,CSPGs有抑制軸突及神經(jīng)內(nèi)膜生長的作用,如果神經(jīng)生長因子與之結(jié)合,或者用特異性酶降解CSPGs,基底膜活性得到極大恢復(fù),神經(jīng)生長明顯加快。3神經(jīng)生長錐目前學(xué)術(shù)界對周圍神經(jīng)再生機制的研究主要有2種理論,即神經(jīng)趨化性再生理論和接觸導(dǎo)向理論。前者認(rèn)為,神經(jīng)再生的過程中,新生的軸突受到遠端神經(jīng)或靶組織所釋放的化學(xué)物質(zhì)的誘導(dǎo)作用而定向生長。而接觸導(dǎo)向理論認(rèn)為,神經(jīng)生長錐沿著其所觸及的底物而延伸,生長過程受底物的形狀、構(gòu)造等理化因素的影響。盡管對于這2種理論目前仍有爭執(zhí),但趨化性理論已基本得到大多數(shù)人的公認(rèn)。以下就周圍神經(jīng)再生的神經(jīng)趨化性理論著重進行闡述。3.1雪使用細(xì)胞系統(tǒng)雪旺細(xì)胞也稱為神經(jīng)膜細(xì)胞,它是存在于周圍神經(jīng)系統(tǒng)的一種特殊的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞,雪旺細(xì)胞能分泌多肽活性物質(zhì),而且可以增生、遷移。雪旺細(xì)胞對誘導(dǎo)、刺激和調(diào)控軸突再生起著重要作用。實驗證明,如果缺乏雪旺細(xì)胞,周圍神經(jīng)再生將不能發(fā)生。由此可見雪旺細(xì)胞在周圍神經(jīng)再生過程中的重要作用。3.1.1復(fù)雜的神經(jīng)再生過程,影響其生長和分離細(xì)胞的活性和指標(biāo)神經(jīng)受損后,神經(jīng)遠端會發(fā)生一系列細(xì)胞和分子水平的生物學(xué)變化,包括損傷軸突及髓鞘的清除(Wallerian變性)和雪旺細(xì)胞的增殖。首先,損傷局部的雪旺細(xì)胞幫助巨噬細(xì)胞清除退變的髓鞘碎屑,但是僅在周圍神經(jīng)損傷初期起作用,髓鞘碎屑的清除主要還是由血液中的單核——巨噬細(xì)胞完成。其次,在周圍神經(jīng)損傷后,雪旺細(xì)胞可增生、遷移。再生軸突一般先于雪旺細(xì)胞長出,但由于部分雪旺細(xì)胞遷移速度快,后來超過軸突的再生速度,在軸突前方形成Büngn-er帶,橋聯(lián)神經(jīng)缺損區(qū),對軸突的再生起到誘導(dǎo)作用。同時,成熟的雪旺細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)槲捶只癄顟B(tài),產(chǎn)生神經(jīng)趨化因子和營養(yǎng)因子,而這些因子對神經(jīng)再生的趨化性起到關(guān)鍵性作用。雪旺細(xì)胞產(chǎn)生的基膜素在促進軸突生長及其趨化性有重要意義?；に厥菢?gòu)成神經(jīng)基底膜的主要成分。而基底膜的主要作用是在神經(jīng)再生過程中促進軸突生長和導(dǎo)向作用。神經(jīng)遠端變性后,遠端基膜管得以保留,這就起到支架和引導(dǎo)趨化的作用,在基膜管強有力的支撐和引導(dǎo)下,生長錐沿著基膜管內(nèi)排列的Büngner帶,從神經(jīng)近端延伸到遠端進而長入靶組織。再生之軸索一旦與基膜管內(nèi)側(cè)接觸,就好像無障礙似的活躍生長,可見雪旺細(xì)胞的基膜為再生軸索提供了適宜的環(huán)境,這種環(huán)境可以防止結(jié)締組織侵入,同時基膜含有再生軸索所需要的營養(yǎng)等體液因素。研究表明,再生的軸索并不是與雪旺細(xì)胞基膜全面接觸,而僅是部分接觸,進而可推斷再生軸索或許是通過不斷與基底膜接觸與分離來進行伸長的。實驗證明,基膜有可能具有促使細(xì)胞分化的作用。通過原位冷凍技術(shù)殺死感覺神經(jīng)末梢的細(xì)胞成分后,僅留下細(xì)胞外基質(zhì),發(fā)現(xiàn)仍然有再生的軸索和雪旺細(xì)胞進入神經(jīng)末梢。由此推斷,神經(jīng)末梢基膜或者與其類似的細(xì)胞外基質(zhì),都含有誘導(dǎo)細(xì)胞分化的特殊物質(zhì)。3.2神經(jīng)生長因子和受體巨噬細(xì)胞同樣在神經(jīng)再生過程中起到至關(guān)重要的作用,包括在Wallerian變性過程中吞噬髓鞘崩解的碎片,起到“清掃作用”,還有就是可以分泌多種物質(zhì),刺激雪旺細(xì)胞的變形與增生,提供髓鞘形成的脂質(zhì)成分。正常周圍神經(jīng)幾乎不含神經(jīng)生長因子及其受體,但在實驗中,將神經(jīng)切斷損傷后,神經(jīng)生長因子和受體在損傷神經(jīng)遠端大量增加,推測可能與巨噬細(xì)胞分泌的白細(xì)胞介素(IL)-1有關(guān)。研究表明,早期的雪旺細(xì)胞增生主要是巨噬細(xì)胞的作用,后期可有其他因素的參與。巨噬細(xì)胞在神經(jīng)再生時還可以定向趨化,這可能與雪旺細(xì)胞的代謝物脂質(zhì)成分有關(guān),此外,巨噬細(xì)胞還有對雪旺細(xì)胞的選擇性吞噬作用。在有絲分裂的作用下,形成髓鞘的雪旺細(xì)胞和未形成髓鞘的雪旺細(xì)胞幾乎同步增加,但經(jīng)研究證實,只有1/6~1/4的雪旺細(xì)胞參與了Büngner帶和軸突髓鞘的形成,多余的雪旺細(xì)胞則被巨噬細(xì)胞所吞噬,而巨噬細(xì)胞首先吞噬未形成髓鞘的施萬細(xì)胞。3.3神經(jīng)營養(yǎng)因子神經(jīng)營養(yǎng)因子(NTFs)是一類能對中樞和周圍神經(jīng)發(fā)揮廣泛作用的營養(yǎng)物質(zhì),大致可分為神經(jīng)營養(yǎng)素和細(xì)胞活性因子。神經(jīng)營養(yǎng)素家族包括神經(jīng)生長因子(NGF)、腦源性神經(jīng)生長因子(BDNF)、神經(jīng)營養(yǎng)素-3(NT-3)和神經(jīng)營養(yǎng)素-4/5(NT-4/5)等。在周圍神經(jīng)系統(tǒng)中,神經(jīng)營養(yǎng)因子主要由雪旺細(xì)胞合成。近年來發(fā)現(xiàn)神經(jīng)營養(yǎng)素家族存在高親和力受體和低親和力受體。相對分子質(zhì)量為140000的TrkA或pl40。TrkA為對NGF有高親和力的受體。除此之外,Trk家族還有TrkB基因編碼的蛋白相對分子質(zhì)量為145000的TrkB和TrkC(基因編碼的相對分子質(zhì)量145000)。TrkB可與BDNF和NT-4/5結(jié)合,而TrkC為NT-3的親合性受體。NT-3也可與TrkA和TrkB結(jié)合。神經(jīng)營養(yǎng)因子的低親和力受體相對分子質(zhì)量為75000,稱為p75或p75NGFR,可以結(jié)合所有的神經(jīng)營養(yǎng)素,但其作用機制尚且不明,研究表明p75可提高Trk受體對神經(jīng)營養(yǎng)素的特異性。而且可誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞死亡。專家和學(xué)者經(jīng)實驗推測NGFs與p75結(jié)合后可以阻斷p75誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞死亡的作用,從而促進損傷神經(jīng)的細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)。4在現(xiàn)代科學(xué)研究中，不同內(nèi)源性和外源性因素對神經(jīng)過渡的影響4.1trpv1在神經(jīng)損傷后對神經(jīng)再生的影響辣椒素受體也稱為香草素受體(VR1),是機體的一個重要的傷害性感受分子,除了參與中樞和外周水平疼痛的形成外,還參與了多種生理活動和病理過程。研究表明辣椒素受體屬于離子通道中瞬時感受器電位(TRP)家族成員之一(TRPV1)。它普遍存在于神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi),是一種非選擇性陽離子通道,可被辣椒素、H+和傷害性熱刺激(>43℃)激活。研究表明神經(jīng)損傷后,局部TRPV1表達明顯增高、對神經(jīng)再生起到直接或間接作用。實驗發(fā)現(xiàn)神經(jīng)切斷后4周,TRPV1的表達顯著增加。Anand等推測,TRPV1可能通過與血管緊張素(AngⅡ)2型受體(AT2R)相互作用,進而促進神經(jīng)再生。初步研究表明,對TRPV1敏感的hDRG神經(jīng)元可通過瞬態(tài)鈣內(nèi)流響應(yīng)AngⅡ。依靠AngⅡ治療的神經(jīng)元可以顯著促進神經(jīng)軸突的生長。Jankowski等發(fā)現(xiàn),動態(tài)變化的TRPV1水平的增強,有助于促進神經(jīng)再生時C纖維(C-fibers,CH)的募集,這種作用受抗體和GDNF家族的神經(jīng)營養(yǎng)因子受體(GFRα3)的調(diào)節(jié)。4.2蛋白磷酸化相關(guān)pkc的調(diào)控通常根據(jù)PKC的結(jié)構(gòu)和輔助因子不同,將其分為3大類,即典型的PKCs,新PKCs和非典型的PKCs。PKC對周圍神經(jīng)再生的作用表現(xiàn)在以下幾個方面:①PKC激活后可以維持生長錐的絲狀和板狀足結(jié)構(gòu),還可以促進生長錐延伸過程中所必需的蛋白質(zhì)磷酸化,除此之外PKC可以促進神經(jīng)與層黏連蛋白粘連,加強神經(jīng)對神經(jīng)生長因子的應(yīng)答反應(yīng)。②PKC可以調(diào)控GAP-43(growthassociatedprotein-43)的磷酸化,而GAP-43是神經(jīng)特異性的鈣調(diào)素連接蛋白,其磷酸化的狀態(tài)存在于生長錐內(nèi)恒定的區(qū)域,并且參與軸突的生長和突觸的形成。磷酸化的GAP-43也可以調(diào)控肌動蛋白絲的聚集,進而調(diào)節(jié)生長錐的形狀和運動。③周圍神經(jīng)再生過程中所需要的結(jié)構(gòu)和功能物質(zhì)由神經(jīng)元胞體合成后主要通過微管運輸?shù)捷S突末梢,同時,微管的聚集和穩(wěn)定性的增加與軸突成熟和維持形狀有關(guān),而調(diào)控微管解聚與聚集的主要是磷酸化的微管相關(guān)蛋白(MAP),PKC則與其亞型MAP-2的磷酸化有關(guān)。④激活的PKC可以在神經(jīng)細(xì)胞損傷后促進雪旺細(xì)胞的增生。4.3前列腺激素c1pge1PGE1可以促進周圍神經(jīng)損傷后的恢復(fù)。而且PGE1是環(huán)氧化酶激活劑,可以提高細(xì)胞內(nèi)cAMP水平,進而促進神經(jīng)再生。4.4超聲作用的機制超聲波是一種機械波,具有機械效應(yīng)、溫?zé)嵝?yīng)和理化效應(yīng)。小劑量的超聲可以通