力量与智慧的回归——神经干细胞

Original 2016-01-07 步步先生 干细胞者说

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正文

神经科学发展的强大引擎

在20世纪90年代，科学界还普遍认为成年人的大脑和脊髓中的神经元是不可能再生的，认为中枢神经系统的神经元一旦发生死亡，就是永久性的，只有胚胎期和新生儿的神经才具有再生能力。所以寄希望于胚胎干细胞的研究，希望胚胎干细胞能够让他重新站起来。但之后的研究发展却大大超出了人们的预期，胚胎干细胞固然有望用于治疗中枢神经系统的损伤，但成体干细胞在目前看来似乎比胚胎干细胞的前景更光明一些。

1992年加拿大病理学家雷诺兹首先在成年小鼠大脑的纹状体分离出能够在体外不断分裂增殖的、具有多向分化潜能的细胞群。由此提出了神经干细胞（Neural stem cell）的概念。狭义的神经干细胞是指成体神经干细胞，指的是分布于胚胎及成人中枢及周围神经系统的干细胞。

存在于成人中枢神经系统的神经干细胞主要在海马齿状回的颗粒下层和侧脑室的室管膜下区，来自于后者的新生神经元可以远距离迁移到其它的神经组织中。

简单的说，就是在成年哺乳动物的大脑中分离出来的具有分裂潜能和自我更新能力的母细胞，它可以分化产生神经组织的各类细胞，包括神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞；而且这类细胞还有在体内迁徙的能力，可以从脑、脊髓这样的中枢系统迁徙到周围神经，并在那里安下家来，发挥作用。

虽然所有的神经干细胞都是从胚胎细胞而来，但与造血干细胞不同，不同的神经干细胞类型可以产生不同种类的神经细胞，分布与不同的位置。比如：只存在于胚胎时期的神经管上皮细胞，可以产生放射性胶质神经元和神经母细胞；前者可以分化出神经元前体细胞，后者可以分化出神经前体细胞；而这些细胞都可以产生各类神经胶质细胞。

我们所讲的神经干细胞指的就是成体中存在于脑中的中枢神经干细胞，其实在外周也有一些“神经干细胞”称为“神经嵴干细胞”，它们可以分化成外周神经细胞、神经内分泌细胞和施旺细胞，还能横向分化成色素细胞和平滑肌细胞。

与造血干细胞不同，神经干细胞有两种不同的分裂方式：一种是对称分裂，一次分裂产生两个相同的子代细胞，都是神经干细胞；另一种是不对称分裂，一次分裂产生两个细胞，一个是神经干细胞，另一个是分化了的细胞，并随着不断的分裂分化成熟，称为神经元或神经胶质细胞。这样的分裂方式，就决定了神经干细胞不像造血干细胞那样“生生不息”，而是越幼稚的细胞自我更新能力越强，越老的细胞则越弱，来自胚胎的神经干细胞自我更新能力最强，也具有最强的增殖分化能力。

镜下的神经干细胞分裂成神经球。在胚胎大脑的发育中，越早期的胎脑,其神经干细胞比率越高，用直接分离的自然流产的胚胎新鲜脑组织可以在体外增殖形成神经球。

在现代的干细胞研究中，人们已经可以成功的把胚胎干细胞、某些种类的成体干细胞和神经干细胞在体外培养，使其分化成神经干细胞和各类神经细胞。也可以通过引入基因的方法把从人体内得到的神经干细胞永生化，让它们在体外无限的增殖生长。但是，对体内神经干细胞的分化机制了解的还是很少。通过对体外培养和分化的研究，我们可以知道，在胚胎发育的过程中，中枢神经系统的发育是一个长期而复杂的过程，需要很多种的细胞因子和分化因子的参与，受到细胞信号和细胞外微环境的严密调控。对这些细胞信号和微环境的研究，是目前神经科学最热门的方向之一，因为只有了解了它们，我们才能真正做到“牵着神经干细胞的鼻子走”，让它们变成什么样的神经细胞就变成什么样的神经细胞，让它们在哪里安营扎寨它们就会在哪里驻扎下来，发挥作用。这样，我们才能实现“超人”的梦想，也让我们可爱的桑兰不用重蹈“超人”的覆辙，有朝一日可以重新站立起来。

神经干细胞的研究热点

从原理上讲，用神经干细胞再生治疗神经疾病有三种方式：一是用移植的细胞取代受损的细胞重建神经回路；二是利用移植细胞保护受损的神经细胞，使其免于死亡，长出轴突，并与次级神经元形成突触；三是用移植细胞形成中间神经元，重建神经回路。

我们可以利用多种外源性细胞进行移植，比如永生化的神经干细胞株、胚胎干细胞株、脐带血干细胞、胎儿神经干细胞、成人神经干细胞及骨髓间充质干细胞等。这些细胞可以在体外培养、分化或者转基因后再移植来治疗各种神经疾病。但是这些细胞都各有优缺点，在应用时需要小心对待。

另外，在神经干细胞的研究当中，科学家们还发现，神经干细胞（和其它一些干细胞）移植到受损大脑后，还可以通过分泌一系列生长因子,如神经生长因子、脑源性神经生长因子、神经胶质源性生长因子、血管内皮生长因子等,增加受损部位的内源性神经细胞的数量和存活率，活化它们，使它们能迁移到受损区域形成新的神经回路，它们都是当今神经科学研究的热点。

神经干细胞能干啥

利用神经干细胞治疗中枢神经受损的疾病在动物实验中已经得到了很多可喜的结果，但是要用到人体还需要更多的努力。

比如说“超人”李维的脊髓损伤，它不是一组特定的细胞群的损伤，而是一个区域的所有神经细胞的全面损伤和死亡。所以，要用移植的方法来治疗时，移植细胞必须可以分化成多种细胞，并且这些细胞之间还要可以彼此协调、相互合作，重新形成有效的神经回路。在动物实验中已经得到结果中说明，脊髓神经干细胞虽然具有多种分化潜能，但是在自然的分化状态下最容易分化成星形胶质细胞，没有神经元的脊髓形成的其实就是我们前面所说的“不完全再生”形成的瘢痕，只不过这里是胶质细胞形成的胶质瘢痕。它们没有功能，不能形成有效的神经回路，也无法让“超人”站起来。体内外诱导脊髓神经干细胞的定向分化是让“超人”站起来的关键，现在世界上正有不少科学家在朝着这个方向努力呢！

事实上，如前一节所讲，神经干细胞在人类疾病中应用最多的还是帕金森病，截至2006年,全世界已经有300多人接受了胎儿神经干细胞移植的治疗，有的患者在接受移植多年后症状仍可持续性改善。

帕金森病是由于大脑黑质区分泌多巴胺的神经细胞退化造成的一种渐行性退化性疾病，著名的好莱坞明星凯瑟琳·赫本就罹患此病，大家看她在晚年所演的电影中一直在不由自主的不停颤动，这就是这个病的表现。

由于分泌多巴胺的神经细胞有着良好的可塑性和代偿能力，所以只有当它们的损失达到75％以上时才会产生症状，在临床上多采用多巴胺增效剂这样的药物来改善症状，但是药物用久了会产生耐药性，并且还有运动协调上的并发症，非常影响生活品质。好在帕金森病只影响一种细胞（多巴胺神经细胞），而且还有很好的动物模型可供研究，所以对帕金森病的研究一直是神经损伤疾病的排头兵，也是最早取得突破性结果的一种疾病。

现在,利用胎儿神经干细胞移植治疗帕金森病的问题还是存在的，除了原料难得以外，取得的胎儿细胞体外培养分化的时间越长，移植后就越容易死亡，时间越短则越容易形成畸胎瘤。所以，提高存活率，减少细胞死亡，尽可能实现体外大规模扩增是目前这一领域研究的热点。

胎儿神经干细胞移植已经称为帕金森病的治疗方法之一。可以用流产胎儿的黑质区（subatantia nigra）的脑组织进行移植，移植后的细胞不但可以存活，而且还能分泌多巴胺明显改善症状。不过因为材料不易取得，移植时的使用量又相对较大，移植一次，需要6个胎脑，还有牵涉伦理障碍、异体移植避不开的免疫排斥等问题,目前无法在临床上大规模开展。

脑血栓是另一种神经干细胞移植应用于临床的疾病。脑血栓的成因是脑血管的阻塞，因为受影响的区域的不同会引起多种细胞受损，本来并不容易以单一的细胞治疗来修补受损的神经并重新建立神经回路。但是如果受损的部位在大脑的纹状区等特定的位置，就可以进行细胞移植的治疗了。不同的科学家用不同的移植细胞，如胚胎干细胞、胎儿神经干细胞、脐带血细胞、骨髓间充质干细胞等进行过多种移植，大部份都能改善神经功能、减少中风面积。随着这方面研究的继续，相信以后会有更多的方法应用于临床。

此外，还有肌萎缩性侧索硬化症，是最主要的一种运动神经元疾病，俗称“渐冻人病”，因为此病侵犯病人的四肢、躯干和延髓的上下运动神经元，导致吞咽困难、肌肉萎缩、肌无力和肌束颤动，就像一个人慢慢地被冻住了一样，一般发病后的存活年限不超过三年，是一种极为严重的恶性神经系统疾病。现在科学家已经可以轻易地在体外把胚胎干细胞分化成运动神经元，但是在移植中运动神经元的放置位点却是个难题，此外如何建立不同神经细胞间的联系也是一个挑战。在最近的人体实验中，将间充质干细胞注射进入侧索硬化症患者的胸椎中，追踪四年显示有部分案例的肺功能恶化趋势有所减缓。也许间充质干细胞有望在治疗这一疾病中发挥作用。

现在再说点题外话，我们这里讲的神经干细胞指的都是中枢神经干细胞。实际上外周的神经细胞比中枢神经细胞有着更强的再生能力，所以断指再植经过锻炼还可以恢复大部份的功能。

神经干细胞还差啥

除了通过移植进行神经损伤后的功能重建外，神经干细胞还有其它的利用价值：

比如，它可以作为携带特殊基因的载体用于疾病的治疗。神经干细胞可以在体外培养、扩增，进行基因操作，把一些特殊的基因或经过改装、修饰了的基因引入到这些细胞的基因组里，再将其植入到中枢神经系统。这样，携带特殊基因的神经细胞既可以和宿主的神经元建立突触联系又可以提供特殊基因的表达产物，比如某种酶，而达到基因治疗的目的。已经有报道用神经干细胞治疗基底神经节损伤和固定性运动神经缺陷的病人，不过移植效率还是有点差强人意罢了。

神经干细胞还可以作为神经系统疾病的药物筛选载体，从正常人脑组织分离获得的神经干细胞具有种属特异性；从病人脑组织分离获得的神经干细胞则具有疾病特异性，它们从理论上讲有着均一的遗传背景，有利于药物筛选平台的稳定性和可重复性。而利用神经干细胞可以在体外诱导分化的特点，还可以进一步筛出促进神经干细胞向特定神经细胞种类分化的药物来。

另外，神经干细胞与组织工程学相结合的研究也是目前研究的热点。近年来，组织工程学飞速发展，它可以建立细胞与生物材料的三维复合体，形成类似活体的组织，对有病的或受损的组织进行形态、结构和功能的重建，最终达到永久性的替代。

在过去的十多年，神经干细胞领域成果不断，取得了举世瞩目的成就，积累了大量的实验室经验，为神经干细胞治疗走向临床提供了丰厚的理论基础。随着人类对基因组、蛋白质组学以及表观遗传学的研究的不断深入，我们必将会完全了解神经干细胞的内在规律，从而可以有规律的定向控制它的增殖和分化，并让它们在我们所需要的位置行使功能。

但是，神经干细胞研究中还有许多未竟的事业，需要更多更深入的研究，仅就神经干细胞移植就有以下一些方面需要进一步的研究：

首先，不同代的神经干细胞有可能具有不同的生物学特性，必须找出最适宜移植的代数范围，保证移植细胞的状态和成份；

其次，不同疾病的发生发展规律是不同的，对于不同的疾病也要掌握最佳的移植时机；

第三，移植细胞的数量也是一个问题，并不是越多越好，不同实验室所做的移植数目差异很大，这还需要更多实验确定一个最佳数目；

第四，在异体移植中，不但移植入的神经干细胞会有反应，它也会引起受体神经系统的一系列反应，甚至会影响受体自身的神经干细胞，这些继发性反应也需要研究和关注；

第五，不同的移植方法对移植物以及受体也会有不同的影响，我们总在寻找更加简便，创伤更小，效率更高的移植方法；

第六，我们如何标记移植的细胞，如何检测移植细胞的存活率，如何鉴定移植后功能的重建；最后，是如何在移植后帮助功能的重建。

编辑：步步先生

(原文首发于本公众号2014年09月13日)

步步先生除造血干细胞外，干细胞的所有其他临床应用目前仍有待临床试验证实，其功效与副作用均需要一定的时间来进行考察，以保证有效性与安全性，擅自使用干细胞进行治疗各类疾病与抗衰老可能会面临未知风险。

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