神经干细胞治疗神经系统疾病概况ppt课件.ppt

干细胞治疗神经系统疾病概况 神经内科晏勇 一 干细胞治疗正成为征服人类疾病的新疗法 19世纪科学家发现一些细胞有 制造 其他细胞的能力 20世纪早期 欧洲科学家第一次发现了真正的干细胞 可产生所有血细胞的细胞 这个发现导致了80年代骨髓移植疗法的问世 干细胞 StemCells 的英文意义是 起源的细胞 这类细胞正如一颗富有生命力的种子 既能通过对称分裂进行自我复制 又能分化成为机体内各种类型的细胞 进一步形成各类组织和器官 这样的特性被称为 自我更新 和 多潜能 1998年是拉开人类胚胎干细胞研究序幕的关键里程碑 这一年 美国科学家JumesThomson从体外受精的人胚胎内层细胞团中分离出干细胞 对其进行体外培养并获得成功 从而证明人类胚胎干细胞 ESC 能被诱导分化成为替代病损组织的功能细胞 实际上 ESC是一种高度未分化的细胞 它具有发育的全能性 亦即具有能分化出成体动物所有组织和器官的潜能 存在的问题 1 伦理问题人们虽叹服ESC几近完美的 全能性 但由此引发的伦理问题却使科学家左右为难 2 最主要的困难是如何解决免疫排斥问题 1 应用核移植的方法 将病人的体细胞去核 再将核移植到去核的卵细胞中 然后再将杂合细胞推动到胚胎的囊胚阶段 从中分离ESC 此研究目前尚未成功 2 孤雌生殖的方式来获得人类胚胎 3 ESC应用于临床疾病治疗的另一忧人之处是ESC本身具有形成畸胎瘤的特性 虽然在移植实验中尚未发现成熟分化所得到的细胞发展成肿瘤现象 但对于ESC在体外正常维持和扩增中 是否存在着类似肿瘤的表观遗传学的改变 是一个值得重视的课题 此时 事情却又出现了转机 1999年12月 美国科学家MargarelGoodel发现小鼠肌肉组织干细胞可以 横向分化 成血液细胞 这一重大发现扭转了人们对成体干细胞的固有认识 直接促进了人成体干细胞应用研究的发展 为干细胞研究开辟了一条开阔的新路 目前 越来越多的科学家已经证实 人类成体干细胞具有普遍的 横向分化 能力 亦即是说 源于某系统的干细胞能够突破其 发育限制 分化成其他系统的组织细胞 如此一来 就能利用患者自身的健康组织干细胞 诱导分化出病损组织的功能细胞 从而达到其治疗目的 尽管干细胞的前景令人憧憬不已 但实际操作起来并非那么容易 首要的问题就是干细胞作为植入体是否具有安全性及稳定性 并且保证在长期培养的过程中不会分化 对此 NIH的美国国家衰老研究所与Geron公司合作 首先证明了源于不同细胞系的人类ESC具有共同的遗传标记 且可在相似的实验室条件中培养 这样 人们不但能获得培养干细胞的最适条件 还能利用干细胞上的特殊标记进行分离纯化 此外 他们还将人ESC置于无饲养层细胞条件下培养 试图降低不同物种细胞间的交叉污染 实验结果表明 人ESC有可能被稳定地保持于一种不分化的状态 在长期培养中不会产生染色体的异常变异 而另一些由NIH资助的美国科学家显然信奉 本土培养 原则 他们将人ESC置于源于胎儿或成人组织的饲养层细胞中测试其控制分化能力 实验亦获得了令满意的结果 能否进一步控制其增殖和分化的程度呢 2003年日本学者发现Nanog基因 它是小鼠ESC中一个起阻止分化作用的转录因子 其存在有利于维持小鼠ESC的多潜能性和自我更新能力 另外人们还发现了OCT4和SOX2等重要的转录因子 它们与Nanog一样 对保持SC的自我更新和多潜能性是必不可少 2007年末 生命科学界再次涌起波涛 日本和美国两个课题组相继运用基因修饰技术 对普通人的皮肤成纤维细胞导入了Oct4 nanog sox2等基因 发现成纤维细胞经过基因重新编程 具备了人类ESC的特性 Oct3 4 Sox2 c Myc和Klf44个转录因子可使体细胞重新回到ESC状态 此成果震动了全世界 美国政府为此投入30亿美元以资助该课题的深入研究 Boyer等用基因组水平的位置分析法找出了OCT4 SOX2和Nanog的靶基因 令人吃惊的是大部分靶基因是被它们共同享有的 这些靶基因经常编码一些与发育相关的重要同源结构域蛋白作为转录因子 这些转录因子共同作用 形成了一个由自我调节和反馈相互循环而组成的调节网络 此外 来自周围组织及细胞外基质的外源性因素也影响着SC的分化 例如胶质细胞衍生的神经营养因子 不仅能促进多种神经元的存活和分化 还对精原细胞的再生和分化有决定作用 又如膜蛋白Notch及其配体Delta或Jagged产生的信号能使SC进行非分化增殖 明确这些影响因素的作用机制 就能调控SC的分化 上述结果显示器官特异成熟干细胞显示出比最初认为的更有可塑性从皮肤细胞获得人类ESC的过程中是通过导入基因的手段涉及到了病毒 因此对于该细胞未来是否可以应用于临床治疗病人 还有待于后续研究和对该实验的进一步重复 一个有趣的研究来自于NIH资助的MIT和以色列的Rambam医疗中心合作研究小组 他们构建了能让人类ESC形成特殊形状的三维支架 科学家通过改变培养条件来诱导人类ESC 构建出具有发育中的肝组织 软骨 神经或者血管细胞分子特性和形状的三维结构 他们通过此方法在实验室中培养出源于ESC的组织器官 以用于各类组织器官损伤的移植 此外 人类ESC还能通过同源重组进行修饰 以形成特定的功能 威斯康辛大学研究人员借助这个方法 成功替换了人类ESC中的一段目标DNA 采用这样的方法 一是可以研究人类干细胞中特定基因的功能 二是能为特定的疾病提供经过修饰的干细胞 从而形成特定的组织 迄今为止 人们已经对干细胞的应用作了大量的研究 取得了很大的进展 随着人们对干细胞认识的进一步加深 干细胞在修复人体病损器官方面逐渐显露了其独特的优势 据报道 以色列科学家首次从胚胎干细胞中培养出能自然跳动的人类心脏组织 且有新生心脏组织的电特性和机械性 来自英国的科学家则用骨髓干细胞培育出了肾脏组织 这些实验证明了干细胞成为替代治疗的可能性 甚至可能成为组织器官移植的新来源 目前已有相关的临床试验报道 尽管大多干细胞的应用仍处实验室阶段 但亦初显良好前景 美国佛罗里达大学教授Ramiya等从尚未发病的DM小鼠的胰岛导管中分离出胰岛干细胞 在体外诱导这些细胞分化为能产生胰岛素的 细胞 结果表明 接受移植的DM鼠血糖浓度控制良好 而对照的小鼠死于DM 日本科学家则诱导雄性小鼠的ESC分化成生殖细胞 使它们能在不同性别的小鼠中分别发育成为相应的生殖细胞 杜克大学研究人员发现 源于年幼小鼠的内皮原细胞能防止饲喂高脂肪小鼠发生动脉硬化 用于治疗目的的干细胞如造血干细胞移植 如骨髓移植 可挽救某些骨髓疾病和恶性肿瘤病人的生命 二 干细胞移植治疗神经系统疾病的可行性 1 多能干细胞可分化成神经细胞 胶质细胞等目前的动物实验表明 干细胞具有极大的可塑性 可塑性 是指某一特定组织的干细胞在适当条件刺激下 可分化为其他组织的细胞 实现跨系统 甚至跨胚层的分化 即从一种组织分离出的干细胞可分化为各种不相关的细胞类型 过去认为造血干细胞只能向血细胞分化 但新的研究发现他们也能分化为肌肉 肝脏或神经细胞 具多能性的胚胎干细胞在体外合适的诱导条件下可成功地诱导出神经 肌细胞和脂肪细胞等各种细胞 源于骨髓的干细胞可分化为某些非造血细胞类型 能发育成为大脑的神经细胞 小胶质细胞 骨骼肌 星形胶质细胞和肝细胞 现有研究显示 增殖细胞在学习和记忆中起重要作用 并且这些细胞可以培养和移植到受体的CNS 并可分化为成熟的神经元 这些结果增加了采用骨髓移植治疗如肌营养不良 帕金森病 卒中 痴呆和肝衰竭等各种疾病的可能性 从皮肤获得的干细胞可培养成脑细胞 脂肪细胞等骨骼肌干细胞 成肌细胞 在体外可培养和移植到受体肌肉中分化为肌管 与内生肌纤维融合再聚集到损伤的肌肉内 神经干细胞也可分化成为造血细胞系 肌细胞等 移植的干细胞分化形成新的脑神经细胞和新的脑部毛细血管网 增加和改善脑细胞的供血和供氧 防止脑细胞进一步变性和坏死 瑞典Bjorklund等应用源于流产胎儿脑中分离的神经组织细胞 移植到帕金森患者脑中并对其进行跟踪研究 发现移植的神经元在术后10年仍然存活 来自不同组织的干细胞当被适当的信号刺激时能改变正常的发育轨迹 远离他们本来的发育模式和形态 发育成为一种新的细胞 骨髓间质干细胞是所有组织干细胞中跨胚层分化效率最高的 因此 干细胞可使受损或衰老的细胞再生成为可能 成体干细胞移植可以治疗CNS疾病 2 CNS存在神经干细胞 NSC 1990 s中期发现人脑的某些区域有分化新神经元的能力 随后证实人CNS某些部位存在干细胞 在一些以往认为缺乏干细胞和再生潜力的器官如脑和肌肉中也发现了干细胞 如在胎脑的脑室周围 皮质 海马 隔区等 在成年脑内的室下区 纹状体 海马齿状回 脊髓等处有神经干细胞 神经干细胞的主要特征为 未分化 缺乏分化标记 能自我更新 具有能分化成神经元 少突胶质细胞和星形胶质细胞的多种分化潜能 现已从胚胎期和成年啮齿类动物及人脑和脊髓内分离出具有向神经元和胶质细胞分化潜能的干细胞并在体外培养成功 主要问题有二 一是体外培养干细胞 设计出适合移植的正确的分化轮廓 其次是寻找能够刺激患者自身干细胞生长的内源性信号 效果和修复机制 三 目前用干细胞治疗的神经系统疾病 1 脊髓变性疾病 脊 延 髓空洞症 亚急性合并变性 运动神经元病 遗传性舞蹈病 2 脑血管疾病 脑梗死 脑出血 3 锥体外系统疾病 帕金森病 舞蹈病 4 癫痫 症状性癫痫 5 肌肉疾病 重症肌无力 肌营养不良 6 眩晕 7 痴呆 老年性痴呆 血管性痴呆 等 8 脱髓鞘疾病 多发性硬化9 昏迷 植物人 等 10 脊髓外伤 张素春博士 美国威斯康辛麦迪逊大学 在将ESC诱导为运动神经元细胞的研究中取得了突破性进展 威斯康辛灵长类研究所的科学家 历时10年 将猴子胚胎干细胞诱导所得的神经细胞移植到PD猴子模型上 完全治愈了患PD病猴子 瑞典Bjorklund及其同事应用源于流产胎儿脑中分离的神经组织细胞 移植到帕金森患者脑中并对其进行跟踪研究 发现移植的神经元在术后10年仍然存活 北京大学三院用骨髓基质干细胞治疗MS KeeneCD SonnenJA SwansonPD etal NeuraltransplantationinHuntingtondisease long termgrafts移植物intwopatients Neurology 2007Jun12 68 24 2093 8 美国YuD SilvaGA Stemcellsourcesandtherapeuticapproachesforcentralnervoussystemandneuralretinaldisorders NeurosurgFocus 2008 24 3 4 E11 SongJ LeeST KangW etal Humanembryonicstemcell derivedneuralprecursortransplantsattenuateapomorphine inducedrotationalbehaviorinratswithunilateralquinolinicacidlesions NeurosciLett 2007Aug9 423 1 58 61 韩国 四 干细胞治疗老年性痴呆NSCs移植的益处还有减弱有害的炎症 内源性营养支持 防止CNS变性 增强内源性修复等功能 南方医科大学珠江医院神经医学研究所用SC移植治疗老年性痴呆 治疗后脑血管造影显示患者大脑组织新生毛细血管显著增多 大脑功能和代谢明显改善 能显著恢复和改善患者的定向力 记忆力 判断力和理解力 能显著恢复和改善患者的情绪 人格和行为 能显著改善和提高患者的身体功能状态 改善语言能力 恢复生活的主动性 提高生活质量 对初期和第2期AD有显著治疗效果 且疗效持久 无任何副作用 2 激活CNS的神经干细胞 己发现在胎脑的脑室周围 皮质 海马 隔区等处广泛存在神经干细胞 而成年脑内神经干细胞分布于室下区 纹状体 海马齿状回 脊髓等处 激活和增殖CNS内源性神经干细胞是另一最佳选择近年来的研究显示 施普善 Cerebrolysin 脑活素 有激活CNS内在神经干细胞增生的作用 对急性脑卒中 血管性痴呆患者的认知功能和记忆 运动功能等有显著性改善 苯羟基丙氨酸 phenserine 美国学者Marutle等 20