研究背景
神經幹細胞(neural stem
cell)具有分化為神經神經元
、星形膠質細胞和少突膠質細胞的能力
,能自我更新
,並足以提供大量腦組織細胞的細胞群
。是一類具有分裂潛能和自更新能力的母細胞
,它可以通過不對等的分裂方式產生神經組織的各類細胞
。長期以來
,人們一直認為成年哺乳動物腦內神經細胞不具備更新能力
,一旦受損乃至死亡不能再生
。這種觀點使人們對中樞神經係統疾病的治療受到了很大限製
。雖然傳統的藥物
、手術及康複治療取得了一定的進展
,但是仍不能達到滿意的效果
。1992年
,Reynodls等從成年小鼠腦紋狀體中分離出能在體外不斷分裂增殖
,且具有多種分化潛能的細胞群
,並正式提出了神經幹細胞的概念
,從而打破了認為神經細胞不能再生的傳統理論
。Mckay於1997年在《Science》雜誌上將神經幹細胞的概念總結為
:具有分化為神經元
、星形膠質細胞及少突膠質細胞的能力
,能自我更新並足以提供大量腦組織細胞的細胞
。如下圖所示
。
患病部位組織損傷後釋放各種趨化因子
,可以吸引神經幹細胞聚集到損傷部位
,並在局部微環境的作用下分化為不同種類的細胞,修複及補充損傷的神經細胞
。由於缺血
、缺氧導致的血管內皮細胞
、膠質細胞的損傷
,使局部通透性增加
,另外在多種黏附分子的作用下,神經幹細胞可以透過血腦屏障
,高濃度的聚集在損傷部位
;神經幹細胞可以分泌多種神經營養因子
,促進損傷細胞的修複
。神經幹細胞可以增強神經突觸之間的聯係
,建立新的神經環路
。
信號轉導在神經幹細胞分化中十分重要
。作為一種信號傳導途徑
,Notch信號傳導係統尚未完全闡明
。認為Notch受體是一種整合型膜蛋白
,是一個保守的細胞表麵受體,它通過與周圍配體接觸而被激活
,其信號傳導途徑開始於Notch受體與配體結合後其胞漿區從細胞膜上脫落
,並向細胞核轉移
,將信號傳遞給下遊信號分子
。該途徑的信號傳遞主要是通過蛋白質相互作用
,引起轉錄調節因子的改變或將轉錄調節因子結合到靶基因上
,實現對特定基因轉錄的調控
。當激活Notch途徑時
,幹細胞進行增殖
,當抑製Notch活性時
,幹細胞進入分化程序
。這些研究結果表明找到調節Notch信號途徑的方式
,就可能通過改變Notch信號來精確調控神經幹細胞向神經功能細胞分化的過程和比例
。此外
,Janus激酶信號轉導遞質與轉錄激活劑(JAK-STAT)信號傳導係統也參與幹細胞的調控
。
神經幹細胞在神經發育和修複受損神經組織中發揮重要作用
。神經幹細胞移植是修複和代替受損腦組織的有效方法
,能重建部分環路和功能
。此外神經幹細胞可作為基因載體
,用於顱內腫瘤和其它神經疾病的基因治療,利用神經幹細胞作為基因治療載體
,彌補了病毒載體的一些不足
。Wagner等將神經幹細胞移植到帕金森病模型的鼠腦
,神經幹細胞在其腦組織中遷移並修複損毀的腦組織
,且震顫症狀明顯減輕
,可能是神經幹細胞分化成為多巴胺能神經元起到治療作用
。Piccini等從流產胎兒腦中分離的神經組織細胞
,移植入患者的腦中治療帕金森病
,結果有一半以上的患者症狀得到明顯改善
,而且效果持續存在
。多發性硬化是發病率較高的神經係統疾病
,在其齧齒類動物模型中發現產生髓鞘的少突膠質細胞被破壞或失去功能
,將神經幹細胞直接移植到鼠腦中
,移植的細胞在腦中發生了大範圍的遷移
,在分化成的少突膠質細胞中
,約40%的細胞形成了髓鞘
,其特性非常接近正常狀態
,一些接受移植的動物其典型的症狀也得到了明顯的改善
。腦膠質瘤是醫學治療的難點之一
,手術切除腫瘤困難
,且容易複發
,放療和化療對腫瘤有一定的作用
。由於神經幹細胞具有遷移的功能
,利用這種特性可以向腦部釋放藥物。對鼠神經幹細胞進行轉基因處理
,使之分泌IL-4
,這種物質能夠激活免疫係統
,對腫瘤細胞發生抗瘤攻擊
,患有腦膠質瘤的實驗鼠接受這種細胞注射之後
,壽命比未治療的實驗鼠大大延長
,核磁共振成像表明
,實驗鼠腦部的大塊腫瘤有縮小的跡象
,有趣的是
,即使注射的神經幹細胞不分泌IL-4
,實驗鼠的壽命也會延長
。Ling等認為這是由於神經幹細胞還能分泌一種能夠減緩腫瘤細胞分裂的未知物質的緣故
。此外
,神經幹細胞對於判斷藥效及藥物毒性等也有一定實用價值
,如可以利用神經幹細胞培養技術觀察某些天然化合物和合成化合物的神經活性
,為發展小分子治療藥物提供理論基礎
。
神經幹細胞應用中存在的問題
:建立的神經幹細胞係絕大多數來源於鼠
,而鼠與人之間存在著明顯的種屬差異
;神經幹細胞的來源不足
;部分移植的神經幹細胞發展成腦瘤
;神經幹細胞轉染範圍的非選擇性表達及轉染基因表達的原位調節
;利用胚胎幹細胞代替神經幹細胞存在著社會學及倫理學方麵的問題等
。(神經幹細胞係的建立可以無限地提供神經元和膠質細胞
,解決了胎腦移植數量不足的問題
,同時避免了倫理學方麵的爭論
,為損傷後進行代替治療提供了充足的種子細胞)
。神經幹細胞的來源
、分離
、培養及鑒定還有許多工作要做
,神經幹細胞誘導
、分化及遷移機製有待進一步研究
。通過細胞培養技術及基因組的研究
,如DNA微列陣技術
,進一步明確成體神經幹細胞的確切位置,可以設計藥物特異性地激活這些細胞
。進一步認識神經幹細胞的本質和控製分化基因
,通過調控靶基因
,可以從神經幹細胞誘導產生特定的分化細胞來滿足各種需要
。橫向分化的發現對神經幹細胞的研究和應用具有重要意義
,人們可望從自體中分離誘導出神經幹細胞
,有可能解決神經幹細胞的來源問題
,神經幹細胞的應用將有廣闊的前景
。
研究模型
南宮娛樂已經掌握了神經幹細胞的原代分離培養
:將新生大鼠處死後無菌條件下分離端腦及中腦部分
,仔細剝除腦膜
,剪碎後將組織塊加入胰酶/EDTA中
,37度消化20分鍾
,其間每5分鍾輕輕搖動—次
。用含10%FBS的DMEM/F12終止反應後加入DNA酶I
,室溫消化10分鍾
,使用前端拋光的吸管輕柔吹打成單細胞懸液,經200目篩網過濾
。收集濾液
,
800-1000轉離心5分鍾
,棄上淸
,加入D-Hanks液輕柔吹打洗滌
,離心
,重複2次
。用NSC完全培養液重懸細胞
。原代培養7天後可形成懸浮生長的克隆細胞球
,如下圖所示
。
研究案例
目的
:鹽酸氟西汀調控神經幹細胞信號通路及下遊基因表達的實驗研究
結論
:在大鼠NSC中
,抗抑鬱藥物鹽酸氟西汀可以上調pAKT和pERK1/2的蛋白表達水平;鹽酸氟西汀的作用與PI3K/AKT和MEK/ERK信號轉導通路密切相關
。
路線
:
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PI3K信號轉導途徑對大鼠NSC的存活
、增殖
、分化起重要作用
-
MAPK信號通路對大鼠NSC的存活
、增殖
、分化起重要作用
-
在大鼠NSC模型中
,鹽酸氟西汀可以上調磷酸化AKT和磷酸化ERK1/2的蛋白表達水平
,在鹽酸氟西汀激活AKT和ERK1/2的過程中,PI3K/AKT信號通路與MEK/ERK信號通路之間在AKT-ERK1/2水平存在著“對話”現象
-
在大鼠NSC模型中
,鹽酸氟西汀可以上調BDNF
、GDNF
、LIF和BCL-2的基因表達水平
,而且是通過PI3k/AKT或(和)MEK/ERK信號轉導途徑上調上述基因的表達
。
核心文獻
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Zika Virus Infects Human Cortical Neural Progenitors and Attenuates Their
Growth. Cell Stem Cell. 2016 Mar 3;S1934-5909(16)00106-5.
https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1934-5909(16)00106-5
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Long Neural Genes Harbor Recurrent DNA Break Clusters in Neural
Stem/Progenitor Cells. Cell. 2016 Feb 11;164(4):644-55.
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Neural stem cells sustain natural killer cells that dictate recovery from
brain inflammation. Nat Neurosci. 2016 Jan 11;nn.4211.
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Latent tri-lineage potential of adult hippocampal neural stem cells revealed
by Nf1 inactivation. Nat Neurosci. 2015 Dec;18(12):1722-4
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Opposing intrinsic temporal gradients guide neural stem cell production of
varied neuronal fates. Science. 2015 Oct 16;350(6258):317-20