前言：由于成年哺乳動物大腦的自我修復(fù)和再生能力有限，以不可逆的細胞損傷為特征的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，特別是神經(jīng)退行性疾病和中風(fēng)，通常被認為是難治性疾病。

神經(jīng)干細胞（NSC）因其自我更新和形成不同神經(jīng)譜系細胞（如神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞）的能力，在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療中發(fā)揮著獨特的作用。隨著對神經(jīng)發(fā)育認識的不斷深入和干細胞技術(shù)的進步，可以從不同來源獲得神經(jīng)干細胞，并定向分化為特定的神經(jīng)譜系細胞表型，使得替代某些神經(jīng)系統(tǒng)疾病中丟失的特定細胞成為可能，這提供了新的途徑。

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同濟醫(yī)院：神經(jīng)干細胞成為神經(jīng)退行性疾病和中風(fēng)的新療法

近日，華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院附屬同濟醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科聯(lián)合武漢大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室對神經(jīng)干細胞移植治療神經(jīng)退行性疾病和缺血性中風(fēng)進行了新研究。

研究結(jié)果發(fā)表在《自然》子刊“cell death discovery”上，文章證實了

• 不同來源的神經(jīng)干細胞可以在體外被誘導(dǎo)分化為成熟且有功能的神經(jīng)元或神經(jīng)膠質(zhì)細胞。
• 移植預(yù)分化神經(jīng)干細胞可以分化成熟為特定類型的細胞，促進神經(jīng)退行性疾病或中風(fēng)模型的恢復(fù)。
• 目前，來自人類胚胎干細胞的多巴胺能神經(jīng)元經(jīng)過神經(jīng)干細胞階段，正在帕金森病患者的臨床試驗中進行測試。

在本綜述中，我們總結(jié)了體外誘導(dǎo)不同來源的神經(jīng)干細胞分化的策略。然后，我們概述了移植的預(yù)處理 神經(jīng)干細胞在帕金森病和缺血性中風(fēng)模型中的功能改善和潛在機制。此外，我們還討論了定向誘導(dǎo)神經(jīng)干細胞在神經(jīng)系統(tǒng)疾病和缺血性中風(fēng)的臨床轉(zhuǎn)化中的局限性。

開放式問題

• 對于神經(jīng)退行性疾病或中風(fēng)，哪種神經(jīng)干細胞來源和哪種定向分化方法將使移植細胞符合良好生產(chǎn)規(guī)范指南？

• 移植神經(jīng)干細胞分化的最佳時間窗是多少？
• 移植的預(yù)分化神經(jīng)干細胞的細胞替代的潛在機制是什么？

什么是神經(jīng)退行性疾??？

神經(jīng)退行性疾?。∟D）是一組以神經(jīng)元結(jié)構(gòu)或功能逐漸喪失為特征的疾病，包括帕金森?。≒D）、阿爾茨海默病（AD）、肌萎縮性側(cè)索硬化癥（ALS）和亨廷頓?。℉D）等。這些疾病不僅對患者的生命構(gòu)成威脅，還給家庭和社會帶來沉重的經(jīng)濟負擔(dān)。目前，針對ND的治療主要集中在緩解癥狀和延緩病程，但無法實現(xiàn)治愈。

神經(jīng)干細胞移植通過神經(jīng)修復(fù)與再生治療成為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的理想方法

神經(jīng)修復(fù)再生療法是治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的理想方法，其中神經(jīng)干細胞（NSCS）移植策略在ND治療中引起了越來越多的關(guān)注。

神經(jīng)干細胞是一類多能細胞，具有強大的自我更新能力和分化為各種中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞類型的能力。神經(jīng)干細胞移植在多種病理條件下已被證實，例如癲癇、MS、缺血性中風(fēng)和AD?；贜SC的療法已在許多ND和缺血性中風(fēng)的嚙齒動物模型中得到實施，一些研究提出了NSC改善疾病的潛在機制，包括神經(jīng)炎癥抑制、神經(jīng)元替代、免疫調(diào)節(jié)和神經(jīng)營養(yǎng)支持，從而促進ND和中風(fēng)模型的恢復(fù)。

神經(jīng)干細胞移植策略作為再生醫(yī)學(xué)的一種，在NDs的治療中受到越來越多的關(guān)注。此外，隨著干細胞領(lǐng)域的進步，用于移植的NSCs來源已從最初的直接分離腦組織擴展到多能干細胞（PSCs）的分化和體細胞的轉(zhuǎn)分化。迄今為止，基于NSC的療法已在許多ND和缺血性中風(fēng)的嚙齒動物模型中實施，并且一些研究提出了解釋NSC改善疾病作用的潛在機制，包括神經(jīng)炎癥抑制、神經(jīng)元替代、免疫調(diào)節(jié)和神經(jīng)營養(yǎng)支持，從而促進ND和中風(fēng)模型的恢復(fù)。

然而，直接移植NSC面臨低存活率和不合理分化的挑戰(zhàn)。在ND和缺血性中風(fēng)中，中樞神經(jīng)系統(tǒng)先天免疫細胞的慢性或急性激活可以觀察到，神經(jīng)炎癥反應(yīng)誘導(dǎo)的宿主微環(huán)境可能在移植NSC的存活和分化中起著關(guān)鍵作用。此外，參與炎癥途徑的自噬已被證明可以調(diào)節(jié)移植NSC的分化。因此，炎癥反應(yīng)可能會對移植NSC參與功能恢復(fù)的能力產(chǎn)生不利影響。

為了克服直接移植NSC的局限性，并考慮到某些ND具有特定細胞類型丟失的病理特點，人們致力于探索移植前操控NSC命運以控制終末譜系從而替代ND丟失細胞的可行性。通過化學(xué)定義系統(tǒng)或異位過表達關(guān)鍵的譜系特異性轉(zhuǎn)錄因子，不同來源的NSC可以在體外定向分化為特定類型的神經(jīng)譜系細胞，如DA能神經(jīng)元、GABA能神經(jīng)元、膽堿能運動神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細胞、谷氨酸能神經(jīng)元等。隨后的研究已經(jīng)進行了預(yù)分化細胞的體內(nèi)移植，以探討其在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的治療作用（圖1）。

不同來源神經(jīng)干細胞體外定向分化

神經(jīng)干細胞（NSC）的獲取可以通過三種不同的方式實現(xiàn)：從原代中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）組織直接提取、從多能干細胞（PSC）分化以及從體細胞轉(zhuǎn)分化（圖2）。以下是這三種方法的詳細說明：

從原代CNS組織直接提取NSC：

• NSC在發(fā)育中的大腦中廣泛存在，而在成年哺乳動物的大腦中，它們主要位于海馬的顆粒下區(qū)、腦室下區(qū)以及整個腦室系統(tǒng)的多個部位。從這些區(qū)域可以分離出NSC，這些細胞具有自我更新和多向分化潛能。

PSC分化為NSC：

• PSC，包括胚胎干細胞（ESC）和誘導(dǎo)性多能干細胞（iPSC），可以通過體外誘導(dǎo)分化為NSC。主要有兩種方法：胚狀體（EB）形成和貼壁單層培養(yǎng)。
• 神經(jīng)分化過程是多步驟的，首先通過去除促進自我更新的介質(zhì)來觸發(fā)向所有三個胚層分化，隨后抑制胚外和中胚層內(nèi)胚層分化，并在無血清培養(yǎng)基中培養(yǎng)細胞以利于神經(jīng)分化。
• 雙重SMAD抑制（同時抑制轉(zhuǎn)化生長因子β和BMP信號通路）可降低培養(yǎng)變異性并提高神經(jīng)誘導(dǎo)效率。
• PSC的神經(jīng)誘導(dǎo)也可以通過與基質(zhì)細胞飼養(yǎng)層共培養(yǎng)來實現(xiàn)，這可以為限制PSC向神經(jīng)譜系的命運提供線索。

從體細胞轉(zhuǎn)分化為NSC：

• 誘導(dǎo)性NSC可以直接從體細胞（如外周血單核細胞（PBMNC）、成纖維細胞和其他細胞類型）重編程。
• 這種轉(zhuǎn)分化技術(shù)允許從患者自身的體細胞中生成NSC，這對于個性化醫(yī)療和避免免疫排斥反應(yīng)具有重要意義。

不同來源的NSC可以被誘導(dǎo)分化為所需的神經(jīng)譜系細胞，這為研究和治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供了多種可能性。每種方法都有其獨特的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，選擇合適的方法取決于具體的應(yīng)用需求和研究目標。

目前，NSCs可通過三種途徑獲得：1）從原代中樞神經(jīng)系統(tǒng)組織中分離，主要包括成人和胎兒的腦組織；2）通過EB形成或單層培養(yǎng)從多能干細胞（iPSC和ESC）分化，雙重SMAD抑制可以促進神經(jīng)誘導(dǎo)過程；3）由體細胞轉(zhuǎn)分化，如血細胞和成纖維細胞。CNS中樞神經(jīng)系統(tǒng)、EB胚狀體、ESC胚胎干細胞、IPSC誘導(dǎo)多能干細胞。

了解神經(jīng)系統(tǒng)的自然發(fā)育對于操控神經(jīng)干細胞（NSC）的定向分化至關(guān)重要。在胚胎發(fā)育過程中，神經(jīng)管沿背腹軸和前后軸經(jīng)歷精確的模式化過程，這一過程由組織者（即釋放模式化分子來調(diào)節(jié)NSC命運的小細胞群）調(diào)控。以下是一些關(guān)鍵點，概述了這一過程和相關(guān)的模式化分子：

模式化分子的作用：

• 成纖維細胞生長因子（FGF）、無翅型MMTV整合位點家族（WNT）和視黃酸（RA）參與前后模式化。
• WNT、骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）和音猬因子（SHH）影響背腹模式。

形態(tài)發(fā)生素梯度：

• 形態(tài)發(fā)生素的梯度可以調(diào)節(jié)定義轉(zhuǎn)錄代碼的內(nèi)在信號通路。

體外誘導(dǎo)NSC分化的方法：

• 化學(xué)定義系統(tǒng)：通過模仿體內(nèi)神經(jīng)發(fā)育的區(qū)域模式原理，在體外誘導(dǎo)不同來源的NSC分化。
• 內(nèi)在轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的方法：通過該方法可以產(chǎn)生所需的神經(jīng)譜系細胞類型，例如多巴胺能（DA）神經(jīng)元、中腦棘狀γ-氨基丁酸介導(dǎo)（MSN）神經(jīng)元、膽堿能運動神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細胞和皮質(zhì)谷氨酸能神經(jīng)元。

神經(jīng)誘導(dǎo)過程：

• PSCs（包括ESCs和iPSCs）的神經(jīng)分化過程是多步驟的，首先通過去除促進自我更新的介質(zhì)來觸發(fā)向所有三個胚層分化，隨后抑制胚外和中胚層內(nèi)胚層分化，并在無血清培養(yǎng)基中培養(yǎng)細胞以利于神經(jīng)分化。
• 雙重SMAD抑制（同時抑制轉(zhuǎn)化生長因子β和BMP信號通路）可降低培養(yǎng)變異性并提高神經(jīng)誘導(dǎo)效率。

神經(jīng)誘導(dǎo)的相似性：

• 這兩種人類PSC的神經(jīng)誘導(dǎo)方法與體內(nèi)神經(jīng)誘導(dǎo)過程非常相似，從而產(chǎn)生具有背前腦身份的NSC。

共培養(yǎng)方法：

• PSC的神經(jīng)誘導(dǎo)也可以通過與基質(zhì)細胞飼養(yǎng)層共培養(yǎng)來實現(xiàn)，這可以為限制PSC向神經(jīng)譜系的命運提供線索。

到目前為止，已開發(fā)出兩種主要的誘導(dǎo)分化方法：化學(xué)定義系統(tǒng)和內(nèi)在轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的方法，通過該方法可以產(chǎn)生所需的神經(jīng)譜系細胞類型，例如 DA 能神經(jīng)元、MSN、膽堿能運動神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細胞和皮質(zhì)谷氨酸能神經(jīng)元（圖3)。

神經(jīng)干細胞誘導(dǎo)定向分化在神經(jīng)系統(tǒng)疾病模型中的治療潛力

目前涉及的主要神經(jīng)疾病模型包括PD、HD、MS、ALS和缺血性中風(fēng)。在這里，我們主要概述了NSCs衍生的特定表型在慢性神經(jīng)退行性疾病PD和急性神經(jīng)退行性缺血性中風(fēng)中的治療潛力。

帕金森病

帕金森?。≒D）是一種進行性神經(jīng)退行性疾病，病理特征是黑質(zhì)緊密層的DA能神經(jīng)元變性，隨后支配紋狀體的DA能軸突末梢丟失，導(dǎo)致運動障礙。

目前，PD的主要治療方法是多巴胺替代療法。然而，它只能緩解PD的癥狀而不能延緩PD的進展。關(guān)于體外靶向分化VM DAergic神經(jīng)元的成功，一些研究已將這些細胞移植到不同的PD模型中，以觀察它們在行為、細胞和分子水平上的治療效果。

上述大多數(shù)研究將預(yù)分化的NSC植入6-OHDA或MPTP誘導(dǎo)的PD模型的紋狀體中，導(dǎo)致感覺運動改善，例如自發(fā)活動增加和轉(zhuǎn)圈行為減少。考慮到放置在黑質(zhì)中的VM組織移植物無法將軸突延伸足夠長以到達其目標區(qū)域紋狀體以形成復(fù)雜的神經(jīng)回路，因此考慮異位植入。植入后，其中一些經(jīng)過預(yù)處理的NSC可以在PD動物模型中存活，并表現(xiàn)出黑質(zhì)DAergic神經(jīng)元的表型，多巴胺水平增加。

• 延申閱讀：拜耳表示神經(jīng)元干細胞療法治療帕金森?。菏讉€1期臨床試驗取得積極結(jié)果

因此，目前的研究表明，異位和同位移植的VMDA神經(jīng)元都可以進行突觸前和突觸后整合，并且很自然地假設(shè)重建的功能性黑質(zhì)-紋狀體回路導(dǎo)致PD模型中的運動恢復(fù)。

除了移植位置，DA能神經(jīng)元分化的最佳移植時間窗對黑質(zhì)-紋狀體回路的重建也很重要。以VM組織為供體，移植時供體細胞的成熟度顯著影響移植物的組成和功能結(jié)果。具體來說，在DA神經(jīng)發(fā)生高峰期（胚胎第12天）之前分離的供體組織在移植物中產(chǎn)生更多的DA能神經(jīng)元，這歸因于植入時DA神經(jīng)母細胞存活和增殖增加。

缺血性中風(fēng)

缺血性中風(fēng)是一種嚴重的腦血管事件，雖然它不是一種神經(jīng)退行性疾病，但它會導(dǎo)致梗死區(qū)域的病理性細胞死亡，包括不同類型的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞。

目前，缺血性中風(fēng)的治療手段相對有限，主要包括血管內(nèi)手術(shù)（血栓切除術(shù)）和靜脈注射阿替普酶（血栓溶解）以恢復(fù)血流。然而，這些治療方法存在一定的局限性，如治療窗窄、存在禁忌癥、療效低以及再灌注損傷等問題，導(dǎo)致只有少數(shù)患者能夠從中受益。

近年來，細胞替代療法在缺血性中風(fēng)治療中顯示出潛力。一些研究針對缺血性中風(fēng)中丟失的不同細胞類型，通過移植特定細胞來重建受損的神經(jīng)回路。

• 例如，一項臨床和影像學(xué)研究顯示，卒中患者癥狀最嚴重時受損細胞的分布往往不在紋狀體中，這表明細胞替換策略應(yīng)強調(diào)重建受損的皮質(zhì)而不是紋狀體。研究將來自PSCs的具有皮質(zhì)谷氨酸能表型的祖細胞植入缺血性卒中大鼠模型的皮質(zhì)中，發(fā)現(xiàn)這些細胞在移植后可以減輕感覺運動障礙。

此外，移植細胞能夠從丘腦皮質(zhì)接收突觸輸入，并能夠根據(jù)生理感覺刺激調(diào)節(jié)自身活動，表明功能回路重建是移植后晚期時間點運動功能恢復(fù)的原因。

除了感覺運動功能障礙外，大多數(shù)中風(fēng)幸存者還患有認知障礙，這可能與少突膠質(zhì)細胞死亡導(dǎo)致的腦白質(zhì)脫髓鞘有關(guān)。

• 徐等人提出了一種兩步方案，可從iPSC中穩(wěn)定、快速地獲得NG2陽性O(shè)PC，將OPCs移植到缺血大鼠的腦室后發(fā)現(xiàn)，這些細胞可以通過抑制炎癥和免疫反應(yīng)來保護宿主神經(jīng)元在缺血環(huán)境下免于死亡。此外，這些細胞通過促進缺血性中風(fēng)大鼠的髓鞘再生過程，在一定程度上挽救了學(xué)習(xí)和記憶喪失。

綜上所述，干細胞治療缺血性中風(fēng)的研究進展顯示，基于干細胞的療法可以改善缺血性中風(fēng)患者的神經(jīng)功能缺陷和日常生活活動能力。這些研究為缺血性中風(fēng)的治療提供了新的視角和潛在的治療策略。隨著臨床試驗的進行和科學(xué)研究的深入，未來可能會有更多有效的治療方法被開發(fā)出來，以改善患者的生活質(zhì)量和預(yù)后。

討論和未來方向

根據(jù)您提供的背景信息和搜索結(jié)果，我們可以討論以下幾個關(guān)于神經(jīng)退行性疾病治療和未來方向的關(guān)鍵點：

靶向分化方案的優(yōu)化：目前，外部培養(yǎng)系統(tǒng)正逐漸從最初的共培養(yǎng)或使用定義不明確的異種因子轉(zhuǎn)向完全化學(xué)定義和無異種因子的條件，這有利于建立更穩(wěn)健的分化方案。這意味著未來的研究將更加注重創(chuàng)建一個清晰和可控的環(huán)境，以促進神經(jīng)干細胞（NSC）的定向分化。

形態(tài)發(fā)生素、生長因子和小分子的使用：進一步探索這些因子在濃度、順序和持續(xù)時間方面的使用對于優(yōu)化NSC的分化至關(guān)重要。這些因素對于實現(xiàn)分化細胞的充分成熟和長期表型的維持非常關(guān)鍵。

表觀遺傳機制的調(diào)控：越來越多的研究表明表觀遺傳機制可以調(diào)控神經(jīng)分化中各種發(fā)育信號通路的激活和抑制之間的相互作用。例如，精細地調(diào)節(jié)遺傳程序以協(xié)調(diào)不同的神經(jīng)譜系分化。

RNA干擾技術(shù)的應(yīng)用：隨著RNA干擾技術(shù)的進展，它們也可以用于指導(dǎo)NSCs的靶向分化。

三維誘導(dǎo)和生物材料的應(yīng)用：利用生物材料進行三維誘導(dǎo)以有效控制干細胞的命運越來越受到重視。

導(dǎo)電聚合物和電刺激的應(yīng)用：導(dǎo)電聚合物已被證明可以在體外通過電刺激誘導(dǎo)神經(jīng)干細胞定向分化。

移植細胞的病理性生長的解決策略：人們正在積極采取多種策略來解決各種來源的移植細胞可能出現(xiàn)的病理性生長，如利用細胞分選技術(shù)在移植前去除脫靶污染細胞類型或轉(zhuǎn)導(dǎo)配體激活的自殺基因以在體內(nèi)消融增殖細胞。

誘導(dǎo)神經(jīng)元（iN）技術(shù)的發(fā)展：直接對體細胞進行重編程以獲得功能性神經(jīng)元已成為可能。然而，iN方法將體細胞直接轉(zhuǎn)化為非分裂神經(jīng)元，而不是命運定向的神經(jīng)元祖細胞，這些非分裂神經(jīng)元移植后往往難以在宿主腦中存活，整合也較差。

細胞移植策略的個性化：在進行供體細胞移植前應(yīng)充分考慮不同神經(jīng)系統(tǒng)疾病所呈現(xiàn)的具體病理狀態(tài)，這可能在一定程度上影響細胞移植策略。

除了移植定向誘導(dǎo)的神經(jīng)干細胞外，體內(nèi)細胞重編程和神經(jīng)膠質(zhì)細胞原位轉(zhuǎn)化為功能性新神經(jīng)元：這是一種很有前途的神經(jīng)再生策略。

基因工程改造的干細胞：移植的外源性干細胞可以通過基因工程穩(wěn)定地產(chǎn)生生長因子，支持修復(fù)功能失調(diào)的內(nèi)源性神經(jīng)元。

臨床前研究和臨床試驗的進展：近期的臨床前研究已證明源自PSC的DAergic神經(jīng)元的安全性和有效性?；谶@些有希望的結(jié)果，不同國家正在進行臨床試驗。

這些方向展示了神經(jīng)退行性疾病治療領(lǐng)域的廣泛研究和未來潛力，特別是在干細胞療法和基因編輯技術(shù)方面。隨著技術(shù)的不斷進步和臨床試驗的開展，我們有望在未來看到更多有效的治療方法被開發(fā)出來。

參考資料：Nie, L., Yao, D., Chen, S. et al. Directional induction of neural stem cells, a new therapy for neurodegenerative diseases and ischemic stroke. Cell Death Discov. 9, 215 (2023). https://doi.org/10.1038/s41420-023-01532-9

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