神经干细胞分化与神经再生

神经干细胞分化与神经再生

传统观点认为，神经过渡仅发生在婴儿的胚胎期和出生后早期，并且成年肝细胞无法再生。近年来关于神经再生机制的研究已经取得很大的进展。研究表明成年啮齿类和灵长类海马、嗅球等部位可产生新的神经元,具有一定再生能力。恢复成年神经细胞再生能力对于治疗一些顽固性疾病,如帕金森病、阿尔茨海默病、精神分裂症以及抑郁症等有很大作用,所以探讨各种促进神经再生作用的内外因素是目前研究的热点。本文对近几年来国内外关于神经再生机制的研究进行了总结和分析。1bmps对神经胞分化的调控神经干细胞(neuralstemcells,NSCs)是一类具有分裂潜能和自我更新能力的母细胞,它可以通过不对等的分裂方式产生神经组织的各类细胞。胚胎时期神经的发生主要源于神经干细胞的分化,早期神经发生经历了3个阶段:①神经前体细胞的增殖;②神经元的发生;③神经胶质细胞的发生。神经元和神经胶质细胞先后由同一祖细胞分化而来,但各种细胞的发育具有时序性,首先生成的是神经元,然后是星形胶质细胞,最后是少突胶质细胞。神经干细胞的分化受多种因素的调控,是当今神经科学研究的热点。巢蛋白阳性皮层前体细胞表面表达血小板源性生长因子(PDGF)和睫状神经营养因子(CNTF)2种受体蛋白。研究表明,PDGF与其受体结合后可以诱导前体细胞向神经元方向分化。与之相反,CNTF受体激活后可以抑制前体细胞向神经元的分化,促进其向星形胶质细胞分化。碱性螺旋-环-螺旋转录调控因子(basichelix-loop-helixtranscriptionfactor)是神经干细胞分化过程中的重要调控分子,其决定因子基因包括Mash1和Ngns。前者促进神经干细胞向神经元分化,后者在促进神经元生成的同时还可以抑制干细胞向神经胶质细胞分化。骨形态发生蛋白(BMPs)家族同样发挥了重要作用。BMPs抑制神经前体细胞向少突胶质细胞的分化,从而促进向星形胶质细胞和神经元的分化。Notch信号系统是一个进化保守的跨膜受体蛋白家族,可以抑制神经干细胞分化为神经元,促进向胶质细胞的分化。2神经轴索及其他神经网架的生长传统观点认为中枢神经损伤后不能再生,胚胎时期人体依靠神经干细胞分化为神经元和各种神经胶质细胞,出生后神经干细胞的分化受限制、神经系统内神经细胞发育成熟、数量基本稳定,可能与出生后原本那些促进神经干细胞分化的因子缺失有关。但是对于这样的结论目前尚未有明确的答案。近年来的相关研究使得人们对中枢神经的再生有了新的认识。中枢神经系统表面和血管周围都有基底膜,脊髓可被看做是一个基底膜管。研究发现在再生神经轴索内,可看到类似于周围神经再生的生长锥,且轴索表面与星形胶质细胞和少突胶质细胞的突起相接触,这些神经胶质细胞的突起向周围空间延伸并形成网架,提示再生的轴索是沿着这些神经胶质细胞的突起网架而延伸的。此外,研究者也观察到再生的轴索有沿着神经胶质界膜的基底膜下伸长的趋势。CNS损伤后,神经细胞凋亡或坏死,轴突髓鞘崩解,星形胶质细胞被激活后分裂增生,小胶质细胞也被激活,吞噬崩解产物。CNS和周围神经系统(PNS)损伤后,轴突和髓鞘的反应是相同的,但是其所处的周围细胞组织环境不同,说明神经细胞周围的细胞环境对神经再生起到至关重要的作用。2.1影响中枢神经再生的因素2.1.1抑制剂对神经元再生的抑制作用①髓鞘相关糖蛋白(MAG)属于免疫球蛋白超家族,位于中枢和周围神经髓鞘的轴突周围区,研究表明其可以抑制中枢神经再生;②少突胶质细胞髓鞘糖蛋白(OMgp)是一种CNS特异性糖蛋白,可阻断有丝分裂信号途径从而发挥生长抑制作用;③Nogo蛋白可抑制神经生长活性,其分为两个结构域:Nogo-66和amino-Nogo。Nogo-66通过与NgR/p75NTR受体复合体相结合而发挥作用。2.1.2含蛋白聚糖的凝胶反应性星形胶质细胞指的是CNS损伤后增生肥大的星形胶质细胞,可形成胶质瘢痕,其中富含蛋白聚糖,可以限制细胞的迁移和神经突起的生长。在神经损伤的同时,反应性增生的星形胶质细胞也可以合成胶质细胞源性神经营养因子,可以在适当刺激下产生层黏蛋白(laminin,LN),促进神经再生。2.1.3小胶质细胞对神经再生的作用在CNS损伤早期,具有吞噬能力的反应性小胶质细胞可被抑制,因此不能及时清除轴突和髓鞘的碎片和崩解产物,使得神经再生不易进行。但小胶质细胞可以分泌生长因子,促进神经再生。以上介绍的星形胶质细胞和小胶质细胞都具有神经保护和神经毒性的双重作用。2.1.4水生神经元的基因表达指神经元受损后发生变化、并影响神经再生的那些神经元的内在基因,其表达产物包括SCG10/CAP-23和GAP-43等都与再生能力有着密切的关系。2.2激活蛋白激酶a该转导通路的机制为:配体(如神经递质)与细胞膜上的特异性受体结合后,通过G蛋白偶联激活腺苷酸环化酶(AC),催化生成第二信使cAMP,进而再激活蛋白激酶A(PKA),PKA将多种靶蛋白磷酸化并调节其活性。其中有一个重要的转录因子CAMP反应元件结合蛋白可以调节多种基因的转录。该通路具体作用机制为:①抑制Rho/ROCK级联信号通路促进CNS轴突再生。②联合神经营养因子。脑源性神经营养因子(BDNF)和胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)可以增加cAMP的含量,从而阻碍MAG的抑制作用。③cAMP能促进成年人背根神经节(DRG)和视网膜神经节细胞(RGC)轴突生长锥的出芽和再生。2.3cspgs抑制剂与颗粒神经元的整合脑的神经再生通过新生神经细胞的产生来实现,成年哺乳动物脑内,新生神经元来自2个区域,侧脑室的室管膜下区(SVZ)和海马齿状回颗粒下区(SGZ)。SVZ的细胞沿着局部血管的基膜相互作用,并被星形胶质细胞包裹,形成一个延伸的细胞聚集带,新生细胞通过这种链式迁移的方式到达嗅球,并放射状地向颗粒细胞层和球旁细胞层迁移,表达功能性γ-氨基丁酸(GABA)受体,最终整合为颗粒神经元和球旁神经元。而在SGZ中,新近的研究表明,表达胚胎干细胞关键蛋白(sox2)的神经祖细胞可以分化为神经元,还可分化为星形胶质细胞,SGZ的新生细胞通过短距离迁移达到齿状回的颗粒细胞层,在GABA作用下去极化和超极化,在2~4周长出树突棘,新生颗粒细胞成熟后,便可像其他神经元一样接受谷氨酸能和GABA能神经元的投射了。目前有研究发现,硫酸软骨素蛋白多糖(CSPGs)在脑室管膜下区,海马齿状等处密集分布,而这些区域也正是成年脑神经祖细胞集中分布的区域,并有实验表明,CSPGs通过与肝素生长结合因子(如成纤维细胞生长因子)、神经祖细胞等结合而实现神经细胞的增殖。另外,研究表明,CSPGs有抑制轴突及神经内膜生长的作用,如果神经生长因子与之结合,或者用特异性酶降解CSPGs,基底膜活性得到极大恢复,神经生长明显加快。3神经生长锥目前学术界对周围神经再生机制的研究主要有2种理论,即神经趋化性再生理论和接触导向理论。前者认为,神经再生的过程中,新生的轴突受到远端神经或靶组织所释放的化学物质的诱导作用而定向生长。而接触导向理论认为,神经生长锥沿着其所触及的底物而延伸,生长过程受底物的形状、构造等理化因素的影响。尽管对于这2种理论目前仍有争执,但趋化性理论已基本得到大多数人的公认。以下就周围神经再生的神经趋化性理论着重进行阐述。3.1雪使用细胞系统雪旺细胞也称为神经膜细胞,它是存在于周围神经系统的一种特殊的神经胶质细胞,雪旺细胞能分泌多肽活性物质,而且可以增生、迁移。雪旺细胞对诱导、刺激和调控轴突再生起着重要作用。实验证明,如果缺乏雪旺细胞,周围神经再生将不能发生。由此可见雪旺细胞在周围神经再生过程中的重要作用。3.1.1复杂的神经再生过程,影响其生长和分离细胞的活性和指标神经受损后,神经远端会发生一系列细胞和分子水平的生物学变化,包括损伤轴突及髓鞘的清除(Wallerian变性)和雪旺细胞的增殖。首先,损伤局部的雪旺细胞帮助巨噬细胞清除退变的髓鞘碎屑,但是仅在周围神经损伤初期起作用,髓鞘碎屑的清除主要还是由血液中的单核——巨噬细胞完成。其次,在周围神经损伤后,雪旺细胞可增生、迁移。再生轴突一般先于雪旺细胞长出,但由于部分雪旺细胞迁移速度快,后来超过轴突的再生速度,在轴突前方形成Büngn-er带,桥联神经缺损区,对轴突的再生起到诱导作用。同时,成熟的雪旺细胞转变为未分化状态,产生神经趋化因子和营养因子,而这些因子对神经再生的趋化性起到关键性作用。雪旺细胞产生的基膜素在促进轴突生长及其趋化性有重要意义。基膜素是构成神经基底膜的主要成分。而基底膜的主要作用是在神经再生过程中促进轴突生长和导向作用。神经远端变性后,远端基膜管得以保留,这就起到支架和引导趋化的作用,在基膜管强有力的支撑和引导下,生长锥沿着基膜管内排列的Büngner带,从神经近端延伸到远端进而长入靶组织。再生之轴索一旦与基膜管内侧接触,就好像无障碍似的活跃生长,可见雪旺细胞的基膜为再生轴索提供了适宜的环境,这种环境可以防止结缔组织侵入,同时基膜含有再生轴索所需要的营养等体液因素。研究表明,再生的轴索并不是与雪旺细胞基膜全面接触,而仅是部分接触,进而可推断再生轴索或许是通过不断与基底膜接触与分离来进行伸长的。实验证明,基膜有可能具有促使细胞分化的作用。通过原位冷冻技术杀死感觉神经末梢的细胞成分后,仅留下细胞外基质,发现仍然有再生的轴索和雪旺细胞进入神经末梢。由此推断,神经末梢基膜或者与其类似的细胞外基质,都含有诱导细胞分化的特殊物质。3.2神经生长因子和受体巨噬细胞同样在神经再生过程中起到至关重要的作用,包括在Wallerian变性过程中吞噬髓鞘崩解的碎片,起到“清扫作用”,还有就是可以分泌多种物质,刺激雪旺细胞的变形与增生,提供髓鞘形成的脂质成分。正常周围神经几乎不含神经生长因子及其受体,但在实验中,将神经切断损伤后,神经生长因子和受体在损伤神经远端大量增加,推测可能与巨噬细胞分泌的白细胞介素(IL)-1有关。研究表明,早期的雪旺细胞增生主要是巨噬细胞的作用,后期可有其他因素的参与。巨噬细胞在神经再生时还可以定向趋化,这可能与雪旺细胞的代谢物脂质成分有关,此外,巨噬细胞还有对雪旺细胞的选择性吞噬作用。在有丝分裂的作用下,形成髓鞘的雪旺细胞和未形成髓鞘的雪旺细胞几乎同步增加,但经研究证实,只有1/6~1/4的雪旺细胞参与了Büngner带和轴突髓鞘的形成,多余的雪旺细胞则被巨噬细胞所吞噬,而巨噬细胞首先吞噬未形成髓鞘的施万细胞。3.3神经营养因子神经营养因子(NTFs)是一类能对中枢和周围神经发挥广泛作用的营养物质,大致可分为神经营养素和细胞活性因子。神经营养素家族包括神经生长因子(NGF)、脑源性神经生长因子(BDNF)、神经营养素-3(NT-3)和神经营养素-4/5(NT-4/5)等。在周围神经系统中,神经营养因子主要由雪旺细胞合成。近年来发现神经营养素家族存在高亲和力受体和低亲和力受体。相对分子质量为140000的TrkA或pl40。TrkA为对NGF有高亲和力的受体。除此之外,Trk家族还有TrkB基因编码的蛋白相对分子质量为145000的TrkB和TrkC(基因编码的相对分子质量145000)。TrkB可与BDNF和NT-4/5结合,而TrkC为NT-3的亲合性受体。NT-3也可与TrkA和TrkB结合。神经营养因子的低亲和力受体相对分子质量为75000,称为p75或p75NGFR,可以结合所有的神经营养素,但其作用机制尚且不明,研究表明p75可提高Trk受体对神经营养素的特异性。而且可诱导神经细胞死亡。专家和学者经实验推测NGFs与p75结合后可以阻断p75诱导神经细胞死亡的作用,从而促进损伤神经的细胞内信号传导。4在现代科学研究中，不同内源性和外源性因素对神经过渡的影响4.1trpv1在神经损伤后对神经再生的影响辣椒素受体也称为香草素受体(VR1),是机体的一个重要的伤害性感受分子,除了参与中枢和外周水平疼痛的形成外,还参与了多种生理活动和病理过程。研究表明辣椒素受体属于离子通道中瞬时感受器电位(TRP)家族成员之一(TRPV1)。它普遍存在于神经系统内,是一种非选择性阳离子通道,可被辣椒素、H+和伤害性热刺激(>43℃)激活。研究表明神经损伤后,局部TRPV1表达明显增高、对神经再生起到直接或间接作用。实验发现神经切断后4周,TRPV1的表达显著增加。Anand等推测,TRPV1可能通过与血管紧张素(AngⅡ)2型受体(AT2R)相互作用,进而促进神经再生。初步研究表明,对TRPV1敏感的hDRG神经元可通过瞬态钙内流响应AngⅡ。依靠AngⅡ治疗的神经元可以显著促进神经轴突的生长。Jankowski等发现,动态变化的TRPV1水平的增强,有助于促进神经再生时C纤维(C-fibers,CH)的募集,这种作用受抗体和GDNF家族的神经营养因子受体(GFRα3)的调节。4.2蛋白磷酸化相关pkc的调控通常根据PKC的结构和辅助因子不同,将其分为3大类,即典型的PKCs,新PKCs和非典型的PKCs。PKC对周围神经再生的作用表现在以下几个方面:①PKC激活后可以维持生长锥的丝状和板状足结构,还可以促进生长锥延伸过程中所必需的蛋白质磷酸化,除此之外PKC可以促进神经与层黏连蛋白粘连,加强神经对神经生长因子的应答反应。②PKC可以调控GAP-43(growthassociatedprotein-43)的磷酸化,而GAP-43是神经特异性的钙调素连接蛋白,其磷酸化的状态存在于生长锥内恒定的区域,并且参与轴突的生长和突触的形成。磷酸化的GAP-43也可以调控肌动蛋白丝的聚集,进而调节生长锥的形状和运动。③周围神经再生过程中所需要的结构和功能物质由神经元胞体合成后主要通过微管运输到轴突末梢,同时,微管的聚集和稳定性的增加与轴突成熟和维持形状有关,而调控微管解聚与聚集的主要是磷酸化的微管相关蛋白(MAP),PKC则与其亚型MAP-2的磷酸化有关。④激活的PKC可以在神经细胞损伤后促进雪旺细胞的增生。4.3前列腺激素c1pge1PGE1可以促进周围神经损伤后的恢复。而且PGE1是环氧化酶激活剂,可以提高细胞内cAMP水平,进而促进神经再生。4.4超声作用的机制超声波是一种机械波,具有机械效应、温热效应和理化效应。小剂量的超声可以通