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神經(jīng)干細(xì)胞與腦梗死康復(fù)的研究現(xiàn)狀
近年來的研究證實(shí),成年中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)廣泛分布著神經(jīng)干細(xì)胞(NSC)，海馬齒狀回顆粒下層和側(cè)腦室下區(qū)是成體大腦內(nèi)源性NSC存在的主要腦區(qū)。NSC正常情況下處于靜息狀態(tài)，當(dāng)大腦受到損傷或出現(xiàn)某些病理性變化時會被激活，分化為成熟的神經(jīng)細(xì)胞，修復(fù)受損的神經(jīng)功能�？梢酝ㄟ^某些手段(如康復(fù)訓(xùn)練、豐富環(huán)境、局部應(yīng)用外源性神經(jīng)生長因子)激活自身干細(xì)胞或移植干細(xì)胞(包括NSC移植和非NSC移植)腦梗死。
神經(jīng)干細(xì)胞;腦梗死;豐富環(huán)境;移植
腦梗死是神經(jīng)科最常見的疾患，盡管其診斷及治療技術(shù)在過去的幾十年中有了很大的提高，但治療效果仍然不盡如人意。以往人們認(rèn)為神經(jīng)細(xì)胞是不可再生的，但多年來對神經(jīng)營養(yǎng)因子( neuro tro phic factor , NTF) 及神經(jīng)干細(xì)胞( neural stem cell, NSC) 的研究使人確信：包括人類在內(nèi)的哺乳動物，在一定條件下神經(jīng)細(xì)胞是可以再生的，新生的神經(jīng)元可以修復(fù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷。因此，NSC 治療現(xiàn)已成為治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病最有價值的潛在治療手段。現(xiàn)將利用NSC治療腦缺血的策略介紹如下：
NSC治療腦缺血主要有兩個途徑：一是通過某些手段激活自身干細(xì)胞，放大其治療作用，達(dá)到自身修復(fù)的目的；另一途徑是移植NSC，這樣可以獲得大量的干細(xì)胞，但來源困難，且存在社會倫限制和免疫排斥反應(yīng)。
1康復(fù)訓(xùn)練
在腦血管病患者發(fā)病早期進(jìn)行及時、有效的康復(fù)訓(xùn)練是提高患者生活質(zhì)量、減少殘疾、最大限度回歸社會的一個重要措施。李玲等的研究結(jié)果顯示：大鼠腦梗死24h 后每日給予平衡、旋轉(zhuǎn)、行走等功能訓(xùn)練，其神經(jīng)功能的恢復(fù)較未進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的大鼠明顯［1］，表明康復(fù)訓(xùn)練在腦梗死后神經(jīng)功能的恢復(fù)中發(fā)揮極其重要的作用。王衛(wèi)東等的研究顯示：缺血性腦損傷后6至24 d 時間窗內(nèi)，海馬齒狀回神經(jīng)前體細(xì)胞的增殖水平明顯上調(diào)，而腦梗死大鼠經(jīng)康復(fù)訓(xùn)練后，齒狀回神經(jīng)前體細(xì)胞的增殖水平則進(jìn)一步升高［2］。由于這些神經(jīng)前體細(xì)胞絕大部分最終發(fā)育為成熟的神經(jīng)元, 并移行到顆粒細(xì)胞層與周圍的神經(jīng)元進(jìn)行整合，參與缺血性腦損傷后記憶功能的恢復(fù)［3］因此，缺血性腦損傷后進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練所顯示的神經(jīng)功能恢復(fù)水平的提高，與包括海馬齒狀回在內(nèi)的大腦多個部位的神經(jīng)前體細(xì)胞增殖水平上調(diào)有關(guān)。周曉琳等的研究顯示：局灶性腦缺血損傷后康復(fù)訓(xùn)練組在腦梗死后7 d、1 4 d 和21 d 各時間點(diǎn)海馬區(qū)NSC 數(shù)量均高于相同時間點(diǎn)的未接受康復(fù)訓(xùn)練組，表明局灶性腦缺血損傷后，康復(fù)訓(xùn)練可以提高內(nèi)源性NSC 的增殖水平［4］。局灶性腦缺血損傷后，康復(fù)訓(xùn)練可以提高內(nèi)源性NSC 增殖水平，其機(jī)制還不清楚，可能通過以下幾種途徑促進(jìn)缺血性腦損傷后齒狀回神經(jīng)前體細(xì)胞增殖：激發(fā)缺血性腦損傷后海馬區(qū)神經(jīng)生長因子、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子、轉(zhuǎn)化生長因子、堿性成纖維生長因子等的釋放；促進(jìn)、誘導(dǎo)腦內(nèi)DNA 的合成，激發(fā)細(xì)胞的有絲分裂；通過促進(jìn)腦內(nèi)血液循環(huán)，影響缺血性腦損傷后海馬區(qū)興奮性氨基酸受體、5羥色胺作用通路中谷氨酸和5羥色胺的代謝。
2 豐富環(huán)境( enriched env ir onment) 1947 年，美國人Hebb
提出豐富環(huán)境的概念，這一模式被廣泛用來研究環(huán)境對腦功能的影響。已有研究證實(shí)，豐富環(huán)境對腦發(fā)育和腦損傷修復(fù)具有顯著的促進(jìn)作用。1978 年，豐富環(huán)境首次被定義為：復(fù)雜的無生命物與社會刺激的復(fù)合體，即動物的飼養(yǎng)環(huán)境空間增大，內(nèi)置物體豐富而新奇，成員較多，不僅提供了多感官刺激和運(yùn)動的機(jī)會，而且賦予了相互間社交行為的可能。盡管對豐富環(huán)境的具體設(shè)置各有差異，但總的原則是要增加自發(fā)的體力活動、社會性刺激及相互交往的機(jī)會［5］。研究表明，飼養(yǎng)于豐富環(huán)境的大鼠大腦皮質(zhì)厚度、質(zhì)量明顯增加，神經(jīng)元胞體和胞核面積增大，樹突野增大，其側(cè)棘增多，突觸連接面變大，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞( 特別是少突膠質(zhì)細(xì)胞) 的數(shù)量明顯增多，且生活在豐富環(huán)境中時間越長、環(huán)境越豐富、個體之間交往越多，上述改變越明顯， 受影響的皮質(zhì)范圍越大。豐富環(huán)境可以改善大腦中動脈梗死后成年大鼠的機(jī)能。豐富環(huán)境雖然對梗死面積沒有影響，但可明顯改善運(yùn)動行為和認(rèn)知能力［6］。Biernaskie 等的研究表明，在卒中后5 d 給予豐富環(huán)境是非常有效的，而且無論是卒中后14 d，還是卒中后30 d，接觸豐富環(huán)境都能進(jìn)一步促進(jìn)神經(jīng)功能的恢復(fù)［7］。Yasuhiko 等的研究表明，與假手術(shù)組相比，MCAO 誘發(fā)了同側(cè)和對側(cè)的齒狀回神經(jīng)前體細(xì)胞的先是短暫性增加后是持續(xù)性降低的增殖，而神經(jīng)母細(xì)胞的產(chǎn)生一直處于一個低于基線的水平［8］。與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的大鼠相比，處在豐富環(huán)境下8 周的MCAO 大鼠和假手術(shù)大鼠齒狀回的神經(jīng)元分化和神經(jīng)發(fā)生出現(xiàn)了增加的現(xiàn)象。與假手術(shù)組大鼠相比，豐富環(huán)境組大鼠MCAO 后也在齒狀回恢復(fù)了一定數(shù)量的神經(jīng)母細(xì)胞。此外，豐富環(huán)境組大鼠缺血半暗帶的神經(jīng)蛋白( NeuN) 陽性細(xì)胞密度增加，而在這個區(qū)域沒有發(fā)現(xiàn)新神經(jīng)元。對于豐富環(huán)境的研究已經(jīng)長達(dá)50 余年，豐富環(huán)境干預(yù)已經(jīng)被證實(shí)是一種簡便有效的治療手段，對于延緩衰老、增進(jìn)智力也有一定作用。不過仍然有很多問題沒有解決，比如干預(yù)應(yīng)該從什么時候開始，持續(xù)多久，何種干預(yù)最為安全有效，對于不同人群干預(yù)方式強(qiáng)度應(yīng)該如何調(diào)整，過強(qiáng)的豐富環(huán)境刺激對機(jī)體有什么不利影響，如何避免這種不利影響。相信隨著這些問題的解決，豐富環(huán)境干預(yù)將會成為被廣泛接受的治療手段。
3NGF
近年來，人們嘗試在神經(jīng)系統(tǒng)損傷局部應(yīng)用某些激活因子, 以激活存在于損傷局部的NSC，誘導(dǎo)其分裂、增殖、分化為相應(yīng)神經(jīng)元或神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，重建、修復(fù)損傷的腦組織，擴(kuò)充在卒中或其他神經(jīng)疾病發(fā)病后用內(nèi)源性NSC 治療的可能性。腦室內(nèi)注射BDNF［9］或腦室區(qū)BDNF 基因的過度表達(dá)可以使成年大鼠嗅球、紋狀體、隔區(qū)、丘腦、下丘腦中的新生細(xì)胞數(shù)目增加。體外培養(yǎng)顯示，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可表達(dá)BDNF和NGF，對NSC 凋亡有飽和作用。這些發(fā)現(xiàn)使BDNF在腦缺血后促進(jìn)神經(jīng)再生的可能性大大增加。但最近有相反的觀點(diǎn)，Larsson 等發(fā)現(xiàn)，給全腦缺血大鼠的海馬內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)攜帶BDNF基因的重組腺病毒，可促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的分化，但未增加新生細(xì)胞的數(shù)目和延長新生細(xì)胞的生存時間。與SVZ 相比，成年的海馬齒狀回沒有固有的NSC，卻能使神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的前體細(xì)胞進(jìn)行有限的自我更新，這與以上試驗(yàn)結(jié)果不完全一致。促紅素( erythro poietin, EPO) 可能是調(diào)節(jié)缺血后神經(jīng)細(xì)胞再生的另一個重要因子。EPO 產(chǎn)生是缺血 缺氧反應(yīng)的一部分，同時， SVZ 可表達(dá)EPO 受體。腦室內(nèi)注射EPO 可降低SVZ 中NSC 的數(shù)目，增加從SVZ 向嗅球遷移的新生神經(jīng)元，增加嗅球的中間神經(jīng)元；而腦室內(nèi)注射EPO 抗體可增加SVZ 中NSC 的數(shù)目， 減少從SVZ向嗅球遷移的新生神經(jīng)元。
這項(xiàng)研究結(jié)果表明，EPO 是自分泌旁分泌因子，能調(diào)節(jié)大腦NSC的產(chǎn)生。給梗死后2 d 或幾周的成年小鼠腦室內(nèi)注入EGF, 引起梗死側(cè)紋狀體新生細(xì)胞數(shù)目非常顯著的增長, 梗死后13 周，65%的新生細(xì)胞表達(dá)細(xì)小白蛋白，表明EGF促進(jìn)梗死側(cè)紋狀體內(nèi)中間神經(jīng)元的轉(zhuǎn)換。Nakatomi 等的研究發(fā)現(xiàn)，在缺血性腦損傷后，向腦室內(nèi)注入生長因子可促進(jìn)內(nèi)源性祖細(xì)胞的激活， 并觀察到其增殖，隨后遷移入海馬重塑神經(jīng)元，海馬區(qū)錐體神經(jīng)元顯著增殖。進(jìn)一步的研究顯示，新生的神經(jīng)元整合入腦的環(huán)路，改善了神經(jīng)功能缺損的癥狀。
4干細(xì)胞移植
從胚胎和成年腦內(nèi)分離出NSC，在體外培養(yǎng)擴(kuò)增后移植入缺血周圍區(qū)( 在體外采用血清預(yù)培養(yǎng)可使NSC聚球速度加快，促進(jìn)NSC 增殖［10］)，利用其分化和遷徙特性，代替腦缺血后壞死的神經(jīng)細(xì)胞，以恢復(fù)宿主中樞神經(jīng)系統(tǒng)的正常結(jié)構(gòu)和功能。1998 年，Brust le 將人胚NSC 移植入大鼠側(cè)腦室，觀察到移植細(xì)胞在軸突、神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞等各個水平與宿主細(xì)胞廣泛整合。王力平等的實(shí)驗(yàn)顯示，移植的NSC 在小鼠腦脊液中存活良好，并具有向局部腦實(shí)質(zhì)內(nèi)遷移的能力。因此，可利用NSC 的生物學(xué)特性進(jìn)行細(xì)胞替代和修復(fù)缺血所致細(xì)胞死亡引起的功能缺損�？赡艿母杉�(xì)胞移植手段包括NSC 移植和非NSC 移植，非NSC 移植主要指骨髓基質(zhì)細(xì)胞( mar row stromal cell, M SC) 移植。Toda 等將NSC 移植入短暫性全腦缺血模型大鼠海馬，發(fā)現(xiàn)有1% 3%的移植細(xì)胞存活，其中3% 9%的存活細(xì)胞表達(dá)神經(jīng)元細(xì)胞核特異性抗原，即分化為神經(jīng)元，改善了受損的空間認(rèn)知能力( 通過水迷宮測試)。這表明NSC 移植入缺血大腦后能分化為神經(jīng)元，并能改善空間認(rèn)知能力。Kon 等將人類NSC 于大腦梗死后24 h 由靜脈移植入大鼠體內(nèi)，這些細(xì)胞結(jié)合到梗死灶周圍，分化成神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞，并存活到移植后56 d。這表明靜脈注入人類NSC 可以結(jié)合到梗死灶，并且能在腦梗死急性期內(nèi)對內(nèi)源性有絲分裂信號產(chǎn)生應(yīng)答，分化為成熟神經(jīng)細(xì)胞，代替死亡細(xì)胞。因?yàn)楂@取大量的胚胎干細(xì)胞相對困難，研究人員開始將注意力轉(zhuǎn)向異種胚胎干細(xì)胞移植，如豬胚胎干細(xì)胞。Dinsmor e 等發(fā)現(xiàn)，在鼠M CAO 后的第3、7、14、2 8 天，將105 個豬胚胎干細(xì)胞注入鼠的紋狀體和頂葉皮質(zhì), 在移植后12 周，豬胚胎干細(xì)胞存活率超過80%，移植細(xì)胞轉(zhuǎn)化為神經(jīng)元及神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，MCAO 后第14 天，移植動物神經(jīng)功能獲得顯著改善。MSC 是存在于骨髓中的非造血干細(xì)胞，又稱間充質(zhì)細(xì)胞，在適宜的條件下可以分化為神經(jīng)細(xì)胞。Li 等將MSC 直接注入MCAO 大鼠紋狀體內(nèi)，28 d 后觀察到MSC 成活并向缺血區(qū)遷移了2. 2 mm，與MCAO 而沒有移植MSC 大鼠相比神經(jīng)功能顯著改善, 表明M SC 能在受體腦內(nèi)成活并遷移，能參與MCAO 后神經(jīng)功能的重建，表明MSC 移植可能是自體移植許多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的一個非常有用的手段。另外，Shen 等在成年雄性大鼠腦梗死24 h 后，經(jīng)頸內(nèi)動脈注入2ml 106 個大鼠骨髓間質(zhì)細(xì)胞或磷酸鹽緩沖液, 28 d 后處死,發(fā)現(xiàn)骨髓間質(zhì)細(xì)胞治療組神經(jīng)功能明顯恢復(fù)。骨髓間質(zhì)細(xì)胞治療明顯增強(qiáng)缺血半暗帶皮質(zhì)的血管發(fā)生,提高突觸素表達(dá)和NG2 陽性細(xì)胞數(shù)目和密度,胼胝體的Ki67( 是反應(yīng)腫瘤增殖的標(biāo)記物,在許多腫瘤的研究中顯示與預(yù)后有關(guān)) 陽性增殖細(xì)胞與少突膠質(zhì)細(xì)胞的前體細(xì)胞也明顯增加,并且增強(qiáng)胼胝體在兩側(cè)大腦半球的聯(lián)系范圍,這表明骨髓間質(zhì)細(xì)胞能促進(jìn)梗死大腦皮質(zhì)邊緣帶與胼胝體的軸突芽殖和髓鞘再生,這可能是骨髓間質(zhì)細(xì)胞治療促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)的基礎(chǔ)。但利用NCS 移植治療腦梗死面臨諸多問題,如目前建立的NSC 系絕大多數(shù)來源于鼠,而鼠與人之間存在著明顯的種屬差異;NSC 的來源不足; 移植后的NSC 存活比例及遷移能力都很低; 分化成神經(jīng)元的比例也很低,功能神經(jīng)不能形成; 不能精確控制移植細(xì)胞的遷徙和分化; 取材不易,靶點(diǎn)注射困難; 部分移植的NSC 成腦瘤; 利用胚胎干細(xì)胞代替NSC 存在著社會學(xué)及倫方面的問題等。
5問題與前景展望
腦梗死后,單純外源性干細(xì)胞移植目的在于取代受損的神經(jīng)組織,但利用NSC 移植治療腦梗死面臨諸多問題,因此其移植還不能普遍應(yīng)用。而激活內(nèi)源性NSC,在體內(nèi)誘導(dǎo)內(nèi)源性NSC 向神經(jīng)元分化修補(bǔ)缺損的病灶,向少突膠質(zhì)細(xì)胞分化重建髓鞘及其功能,這是目前較NSC 移植更具有臨床意義的策略。因此,進(jìn)一步闡明誘導(dǎo)內(nèi)源性NSC 的分化機(jī)制,誘導(dǎo)內(nèi)源性NSC 大量分化,增加其向病灶處遷移能力,調(diào)控它們向神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細(xì)胞方向分化,并支持和引導(dǎo)軸突生長,在未來可能是治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的最有價值、簡單易行的治療方法。
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