神经干细胞的研究进展（神经干细胞研究最新进展）

严格的免疫功能7项体检意义谱系追踪是上海市免疫所副所长神经细胞再生研究的关键

UT西南干细胞科学家发现严格的谱系追踪是激素脸过敏性皮肤怎么保养研究神经细胞再生的关键。他们的结果发表在近期的《细胞》杂志上，研究结果表明这一追踪在这一领域远远不是例行公事，并建议以前的研究报告“惊人的”再生结果必须重新审查。

谱系跟踪，属于发育生物学，指用于绘制生物体中某一特定细胞的后代或后代的测试。

谱系追踪也是干细胞生物学领域的核心，因此得知这种测试被省略的频率是令人惊讶的，作者在新发表的研究中写道。相应的两位作者是张春丽（音译）博士和王雷雷博士。

在使用一系列协议进行了数十项实验之后，研究人员确定了哪种特定的谱系追踪测试看起来最可靠、最可靠--所谓的金本位测试。张博士说：“我们采用了目前可用的谱系追踪分析方法，但没有开发出新的检测方法。”科学家们还发现了不太可能提供精确结果的测试。

这项研究的结论是列出了可靠的谱系追踪试验，并强烈建议在所有从事神经细胞再生研究的实验室中使用这些检测方法。她说：“我们列出的方法在实验室建立起来很简单，我们认为应该始终使用这些方法。”

张博士在UT西南医学中心获得遗传学和发展博士学位，在那里从事肌肉发育和心脏病方面的工作。他进行了博士后研究，在神经干细胞霍华德休斯医学研究所担任研究员。

在UT西南大学，张博士的实验室报告了神经干细胞生物学方面的一些进展，例如再生损伤后小鼠的大脑和脊髓。科学家他的实验室在活动物细胞命运重编程方面的工作被认为是2014年科学上的重大进步之一。2009年，他获得了著名的国立卫生研究院主任新创新者奖。

使用严谨世系追踪追踪，王博士和张博士的团队在2018年报告说，当他们试图将一种被称为胶质细胞的脑细胞转化为神经元时，他们反而将成熟的抑制神经元重新编程成一种不同类型的神经元，从而产生在帕金森病中丢失的神经递质。他们的研究表明，成年后大脑的神经元比以前想象的更有延展性。

今年早些时候，他们在细胞干细胞神经胶质的潜在神经源性潜能细胞可以通过杠杆作用产生新的神经元，并导致脊髓损伤后功能的恢复。

更多内容：Lei-Lei Wang et al, Revisiting astrocyte to neuron conversion with lineage tracing in vivo, Cell (2021). DOI: 10.1016/j.cell.2021.09.005

何为神经干细胞

一、神经系统发育与神经干细胞

神经系统的发育起始于胚胎早期的神经管和神经嵴，其中央管在发育的终末形成脑室系统和脊髓的中央管，管腔内面被覆的细胞为神经上皮(neuroepithelium)，具有活跃的增殖和分化能力，在胚胎早期此区域称为脑室／脑室下区(ventricular/subventricular zone，VZ／SVZ)，而在成年后则称为室管膜／室管膜下区(ependymal/subepen-dymal zone，EZ／SEZ)，在神经发生(neurogenesis)过程中起着举足轻重的作用。

有关神经元和神经胶质细胞的起源，长期以来一直存在着争议，目前被大多数神经生物学家接受的是“一元论”的发生机制，即神经元和胶质细胞来源于共同的干细胞。这种干细胞由胚胎早期室管膜上皮细胞产生并具有多向分化的潜能，因此被称为多潜能神经干细胞(multipotential neural stem cell)，迄今为止，多潜能干细胞的概念仍不十分确切，因此命名也尚未统一，有的学者也称之为前体细胞(precursor cell)或祖细胞(progenitor cell)，总之，代表具有下述特性的一类细胞：(1)可自我复制或更新(self-renew)，产生与自己相同的子代细胞，维持稳定的细胞储备；(2)处于较原始的未分化状态，无相应成熟细胞的特异性标志；(3)具有多向分化的潜能，即演变成不同成熟细胞类型的能力。

Lendahl等通过实验证明中枢神经系统内多潜能干细胞或前体细胞在胞浆内表达一种被称为巢蛋白或巢素(nestin)特异性蛋白，现已证实其属于中间丝(intermediate filament)蛋白家族，只在多潜能的神经外胚层细胞表达，随着神经上皮的分化成熟逐渐消失，其功能现在尚未完全明确，可能与其它家族成员相似，同时具有结构和信息传递的功能；通过检测巢蛋白的表达即可确定多潜能干细胞的存在。另外，利用分子水平的细胞谱系追踪技术，通过脑室内注射表达荧光蛋白或b-半乳糖苷酶(LacZ)的逆转录病毒感染SVZ区处于分裂期的细胞，可以对干细胞的增殖、移行和分化过程进行监视。通过上述方法，目前已经证实在成年哺乳类动物中枢神经系统内至少有两个区域存在着具有增殖能力的细胞，即室下区和海马结构齿状回的颗粒细胞层下区(subgranular zone，SGZ)。这两个区域原始细胞的表型目前还不清楚。

二、神经干细胞的研究方法

1.体外研究 常规分离神经干细胞的方法是在活体动物脑内已经确定有细胞分裂的部位切取部分组织，在含有高浓度的致有丝分裂原的培养基中孵育，经过增殖后，诱导细胞向不同的子代细胞分化。分化的鉴定通过在单细胞形成子代克隆中，应用免疫细胞化学染色方法检测神经元、星形细胞、及少突胶质细胞所表达的特异性抗原。

定义一组体外培养的细胞为多潜能干细胞也存在着许多问题，其中最重要的是必须证明这些细胞具有向不同成熟细胞分化的能力。虽然现在完全可以应用特异性抗体标记神经元、星形细胞或少突胶质细胞，但是神经元的种类有数百种，若证明真正意义上的“多潜能”尚有很多的工作要做。

目前国外一些研究机构相继报道了建立干细胞系的工作，与原代培养相比，为体外观察和移植研究提供了较稳定的材料；但是应用病毒或v-myc等癌基因修饰的“永生化细胞”遗传特性改变并有继续突变的趋势，可能在移植后生成肿瘤或在分析正常基因对子代细胞分化方向时产生影响，因而其应用价值有待于进一步评价。

2.在体研究 神经元与神经胶质细胞分化的研究主要通过追踪干细胞分裂、分化后产生的细胞谱系构图(lineage

mapping)进而了解细胞发育间的“亲缘”关系。通常认为细胞发育是由其祖先和环境因素共同决定，即受细胞内外调节因素的共同调控。为进一步确定经体外培养鉴定的干细胞的分化潜能，将扩增后／或经基因修饰的干细胞移植到脑内进行观察，结果证明植入的细胞不仅可以在发育期脑和周围神经系统中广泛移行，而且向神经元和胶质细胞分化，甚至人胚胎来源的干细胞在植入成年大鼠脑内也可以分化成为神经元和胶质细胞；同时发现移植细胞分化方向似乎由其所处的局部环境而非内在的特性决定，胚胎来源的干细胞沿着宿主细胞移行并分化成为移植部位的特殊细胞类型，植入的细胞在正常发育的脑内对局部信号的适宜反应导致了这种“嵌合”现象，使其与宿主细胞很难区别。Rosario等将培养的干细胞植入基因突变致小脑前叶发育缺如的小鼠模型，发现这些细胞逐渐分化成颗粒细胞并形成小脑的内颗粒层；电子显微镜观察结果显示供体细胞分化而来的颗粒细胞与宿主苔藓纤维建立了突触联系。上述这种显著的可塑性并不局限在发育期脑内，从成年动物海马来源的干细胞也可以在植入海马后分化成为神经元和胶质细胞，与齿状回正常分化的细胞类型相似；更进一步，这些细胞在植入RMS(rostral migratory

stream)后还可以分化为嗅球神经元并具有合成酪氨酸羟化酶的能力，这种酶在正常海马细胞内是不能合成的；而在移植到成年动物正常情况下不产生神经元的部位，干细胞则不能生成神经元而是向胶质细胞分化。最令人惊讶的是Bjornson等报道从胚胎或成年小鼠脑内取得的细胞经标记后移植到放射损伤的宿主鼠体内，竟然分化为骨髓细胞、淋巴细胞以及其它原始的造血细胞，其结果提示神经干细胞的分化潜能不只局限于神经系统。在受损伤的发育期脑内，干细胞则向损伤部位移行并替代缺失的细胞。由此推测，植入的细胞在分裂增殖的同时，可能“辨别”其所处的环境，但是什么因素始动分化并决定其分化方向还有待于进一步探索，其中必然交杂着内外因素的复杂作用，供体细胞本身所具有的内在分化程序、局部环境中的神经营养因子、细胞外基质、黏附分子及细胞间的相互作用均可能参与其中。

3.影响神经干细胞增殖分化的因子 在多细胞有机体内，每一个细胞的活动均受到极其复杂的内、外环境信号之间相互作用的调控，其中生长因子可能是涉及此过程中的主要信号分子。中枢神经系统中的各种因子对发育期细胞的存活、增殖、移行和分化，成年时期功能的维持，损伤时细胞的可塑性改变，都有着非常重要的影响。其中研究中应用最多的生长因子是EGF和bFGF，已知EGF是星形胶质细胞的致有丝分裂原，在体外细胞培养中也可以促进神经存活和突起生长，Weiss等证明其对培养的干细胞有明显的刺激增殖作用，其子代细胞可向神经元、星形细胞和少突胶质细胞分化。bFGF据报道也具有相同的作用，而且在低浓度下尚有诱导干细胞向神经元分化的作用。当EGF和bFGF注射入成年鼠脑室内，EGF可强烈刺激SVZ细胞增殖，对SGZ的细胞则无作用；bFGF的作用相对较弱；但是新生鼠通过注射bFGF则可导致脑内神经元的数目增多。已经检测具有相类似作用的还有神经生长因子、血小板源性生长因子、转化生长因子、神经营养因子等，但是它们的作用机制仍不清楚。

三、神经干细胞的应用前景

1.细胞移植 以往脑内移植或神经组织移植研究进展缓慢，主要受到胚胎脑组织的来源、数量以及社会法律和伦理等方面的限制。神经干细胞的存在、分离和培养成功，尤其是神经干细胞系的建立可以无限地提供神经元和胶质细胞，解决了胎脑移植数量不足的问题，同时避免了伦理学方面的争论，为损伤后进行替代治疗提供了充足的材料。研究表明，干细胞不仅有很强的增殖能力，而且尚有潜在的迁移能力，这一点为治疗脑内因代谢障碍而引起的广泛细胞受损提供了理论依据，借助于它们的迁移能力，可以避免多点移植带来的附加损伤。另外，神经干细胞移植也为研究神经系统发育及可塑性的实验研究提供了观察手段，前文提及细胞因子参与调控神经元增殖和分化，通过移植的手段对这些因素的具体作用形式和机制进行探索，为进一步临床应用提供了理论基础。

2.基因治疗 目前诱导干细胞向具有合成某些特异性递质能力的神经元分化尚未找到成熟的方法，利用基因工程修饰体外培养的干细胞是这一领域的又一重大进展；另外已经发现许多细胞因子可以调节发育期甚至成熟神经系统的可塑性和结构的完整性，将编码这些递质或因子的基因导入干细胞，移植后可以在局部表达，同时达到细胞替代和基因治疗的作用。

3.自体干细胞分化诱导 移植免疫至今为止仍是器官或组织移植的首要问题。前文提到已经证明成年动物或人脑内、脊髓内存在着具有多向分化潜能的干细胞，那么使人们很容易想到通过自体干细胞诱导来完成损伤的修复。中枢神经系统损伤后，首先反应的是胶质细胞，在某些因子的作用下快速分裂增殖，形成胶质瘢。其实在这个过程中也有干细胞的参与，可不幸的是大多数干细胞增殖后分化为胶质细胞，什么机制控制着细胞的分化决定，确切机制尚未明了。一旦这个机制被发现，无疑对中枢神经系统损伤修复来讲是一个重大的飞跃，因为它不仅可以避免移植造成的不必要损伤，更重要的是可以避免排斥反应。体外实验已经证明某些因素的诱导分化作用，但是应用到临床尚有一段距离，可我们仍从前述成功的探索中看到希望并相信在这方面的突破即将到来。

干细胞的研究进展

干细胞是人体内最原始的细胞，它具有较强的再生能力，在干细胞因子和多种白细胞介素的联合作用下可扩增出各类的细胞。在99年末的年度世界十大科技成果评选中，"干细胞研究的新发现"荣登榜首。干细胞研究有不可估量的医学价值。分离、保存并在体外人工大量培养使之成长为各种组织和器官成为干细胞研究的首要课题。当前，对干细胞的分离和培养技术获得了重大进展，利用单克隆免疫吸附能识别细胞类型或细胞谱系的表面抗原，其分离纯度和细胞活力都很高。99年以色列魏茨曼科学院将白介素-6与干细胞内的受体分子合并研制出一种新分子，可使干细胞在维持原本特性的基础上进行自我增殖且细胞寿命也有所延长。在临床运用中，造血干细胞应用较早，在五十年代，临床上就开始应用骨髓移植来治疗血液系统疾病。到八十年代，外周血干细胞移植技术逐渐推广。美国StmlellsCsliifornia公司用血液干细胞在小鼠体内培育出成熟的肝细胞。胚胎干细胞目前许多研究工作都是以小鼠胚胎干细胞为研究对象，神经干细胞的研究仍处于初级阶段。

我国现已掌握了脐血干细胞分离、纯化、冷冻保存以及复苏的一整套技术，并开始在上海筹建我国第一个脐血库。在北京，北京医科大学人民医院细胞治疗中心也正在筹建全世界最大的异基因脐带血干细胞库，计划到2002年完成冷冻5万份异基因脐带血干细胞，为全世界华人患者提供脐带血干细胞做移植用。2000年初，我国东北地区首例脐血干细胞移植成功。

我国在"治疗性克隆"研究领域获得重大突破，"治疗性克隆"课题被列为国家级重点基础研究项目。此课题分为上、中、下游三块，上海市转基因研究中心成国祥博士负责上游研究，上海第二医科大学盛惠珍教授和曹谊林教授分别主持中、下游的研究工作。其整体目标是，用病人的体细胞移植到去核的卵母细胞内，经过一定的处理使其发育到囊胚，再利用囊胚建立胚胎干细胞，在体外进行诱导分化成特定的组织或器官，如皮肤、软骨、心脏、肝脏、肾脏、膀胱等，再将这些组织或器官移植到病人身上。利用这种方法，将从根本上解决同种异体器官移植过程中最难的免疫排斥反应，同时还使得组织或器官有了良好的、充分的来源。目前，由上海市转基因研究中心负责的上游研究工作，即把病人的体细胞移到去核的卵母细胞并经一系列的处理发育至囊胚取得成功。这个中心创建的三种技术路线方法，即"体细胞克隆哺乳动物的制备方法"、"获得治疗性克隆植入前的制备方法"以及"用于治疗性克隆的人体细胞组织器官保存方法"均已收到国家知识产权局同意专利申请的受理通知。

为了一个人的形成，单个受精卵将产生数以亿计的细胞和250多种不同的细胞类型。幸而，直到最后一个细胞和器官发育形成之时，所有的一切仍未结束。贯穿于整个生命的，是大多数组织继续产生新的细胞以替换损耗的老细胞或满足新的生命活动的需要。比如，当运动员在高海拔地区进行训练的时候，循环系统中血细胞的数量相应增加以满足运输更多氧气的需要。很显然，在诸如皮肤，毛发，骨骼，骨髓，肠这样的组织中，细胞再生能力已得到证实；但这种现象很可能在所有器官中都不同程度地存在着，包括大脑在内，而惯常的观点是，神经元是不可再生的。

组织更新和修补自身的能力来源于称为干细胞的小细胞团。干细胞存在于生命的全过程，在体内微环境中被专门的“看护”细胞紧密包围。“看护”细胞提供生长因子和信号分子保持干细胞的特性――分化能力，以及在特定生命周期中分化为特化细胞的同时又能自我复制的能力。矛盾的是，干细胞的自身分裂十分有限，而它们的子细胞在最终形成特化细胞的过程中，有非凡的繁殖力。

干细胞以及他们能维持一定数量的能力一直深深吸引着生物学家们[1]，如今更为狂热。由于人们意外的发现成熟组织中的干细胞可以重新程序化，即使效率极低，但仍然可以分化为其他来源的细胞。[2]比如，在正常情况下，成年鼠的少数造血干细胞可生成肌肉组织，神经系干细胞可生成血液。这些报告使得将来受损组织用同一个体内其他组织的残余干细胞来修复成为可能。

悬而未决的问题

另外两项研究也引起了科学界和公众的广泛关注。去年，有两个研究小组宣布他们从人类胚胎和胎儿的生殖细胞中分离出了多能干细胞(pluripotential)――可以分化为多种细胞类型的干细胞。紧跟着，就是众所周知的来自成熟体细胞的克隆羊多莉(dolly)及克隆鼠的诞生。

这些有着巨大新闻价值的研究层出不穷，引起了世界性的关于道德和伦理规范的讨论风暴，而且到现在还在争论。比如在美国，公众的反对迫使NIH停止对人胚胎干细胞的研究提供资助。这些争论使许多研究人员开始意识到，他们必须就一些基本问题与迫切的公众和立法者进行有效的交流，其中包括“人的生命何时开始？”“成为人意味着什么？”“什么是胚胎，它在什么时候变成人？”。

科学家们是否能回答这些复杂的问题还有争执，这里我不打算继续深入讨论。我只想确定这个事实：在回答另一个更重要的基本问题“我们怎样才可能把干细胞用于医药领域？”之前，我们的确还需要更多的信息。

采取哪种方法？

最基本的，我们必须进一步研究人体所有组织的干细胞。第一步，我们需要确定分子标记，它们能将寥寥无几的干细胞从他们庞大的子细胞中区分开来。此外，还需了解干细胞与所处的微环境之间的相互作用，以及微环境如何对机体的需求作出反应。我们仅对骨髓中的造血干细胞的相关信息有一定了解，这将有助于在临床治疗中增加受损组织中残留的干细胞的数量。现在，我们已经能够培养少量造血干细胞以重建人的血液系统。

设定一个最坏的状况，一个慢性病患者失去了某种组织的大部分干细胞，必须要用替代疗法才能生存。如今，最可行的方案是采用另一个体相应组织的干细胞来补充。但是，这种方案也相当危险，由于捐献者与患者没有遗传上的相容性，移植很快因免疫排斥而失败。

一种改进方案是用所谓“自体同源干细胞(autologous stem cells)”的干细胞来进行治疗，这种干细胞与患者的基因型完全相同。虽然目前还不可行，但是我们已经有了一定的设想。一种方案是分离、培养患者的另一组织的干细胞，比如骨髓或皮肤的，再把这些成熟干细胞在体外重新程序化。为了了解怎样才能重新程序化干细胞，我们需要一系列的实验，来研究沉默基因的重新激活，以及激活基因被关闭的机制。例如“早期胚胎细胞分化为不同细胞系的机制研究”就会给我们相当的启示。如果我们理解了遗传基因控制正常发育的实现过程，我们将更容易地在实验室里进行有目的地控制基因表达和细胞分化的方向。

另一种方法是用来源于囊胚期的胚胎的多能干细胞。囊胚期是指卵子刚刚受精但尚未种植到子宫的阶段，此时胚胎称为胚泡。胚泡大约由100个细胞组成，其中包含一些特化性较少的干细胞，可在培养中不确定地诱导分化为多种细胞形式（如图）。最早的人类多能干细胞是从体外受精的临床病例中得来的多余胚泡。这个里程碑式的事件是James Thomson领导的University of Wisconsin, Madison的实验室在1998年的成果。另一个在澳大利亚的Monash University的实验室最近宣布了相似的实验结果。现在这两个小组正在进一步研究这些多能干细胞和子细胞的特征。

这些工作为人类胚胎早期发育中基因功能研究提供无价的数据资料。不幸的是直到现在，我们对这一领域知之甚少，部分由于联邦经费对胚胎研究的限制。尽管胚胎发育在进化中高度保守，但是脊椎动物胚胎发育中一些细节上的差异，足以证明鼠和人之间并不是所有的基因都具有相同功能。因此，在模式动物研究中得来的信息不能充分体现出我们在人类干细胞中研究中的问题。

公众眼中的干细胞

用人类多能干细胞进行研究引起争议是由于他们来自人类的受精卵，在某些人认为人的生命始于受精。那么在理论上，用体细胞核转移的方法生成自体同源干细胞引起的争议会少一些。这种方法是把成熟细胞的细胞核转入一个去核的未受精卵细胞中，在实验室里，这个卵细胞发育成胚泡，研究人员可从中分离培养多能干细胞系。最近，Monash University的研究人员用这项技术在小鼠上取得了成功。他们在1000多个转移基因标记的细胞核的去核卵细胞中，获得一个胚胎干细胞系。如果这种“治疗性克隆”能够在效率上更提高一些，那么这对人类干细胞的研究同样有意义。

既然实验用的卵细胞是去核和未受精的，无不同个体的遗传物质融合，从而未发生受精过程，所以用这种方法制造的干细胞在道德和伦理上将更容易被人们所接受。此外，由于胚胎干细胞不能独立发育成胎儿，所以他们不是胚胎。然而，从理论上讲，体细胞核转移产生的胚泡不仅只用于干细胞的产生，把这样的胚泡移植到妇女子宫中也有可能克隆人。尝试此类研究与现行道德准相驳，也是违法行为。另外，这样的行为会使许多不负责任的人们有所企图，无法控制伦理道德标准，而且有可能使人为的和有目的地制造畸形婴儿成为可能。

这些争议对一些更极端的反对者来说还不是关键，他们认为只有对于一个已经去世的人，体细胞核转移技术才可以接受。往往在联邦经费资助人类干细胞的科学研究之前，一个基于相互尊重的信仰的公众讨论就已经开始，无论这种研究是以治疗人类疾病为目的还是以基础研究为目的。

可以认为这种争论本身，是一个好的事情，因为它激发了公众对生物学和复制的兴趣及关注，这些内容以往在学校里不能有效的传授给学生。（克隆青蛙往往不能象克隆人类自己那样使高中的学生们产生兴趣，而且人类肢体再生的案例就可以引导学生展开有关人类肢体的形成和哪些基因产生手臂而不产生腿之类的讨论，象这样的说法未免太牵强了一点。）

无论怎样，干细胞研究的前提是将会得到新的实质意义上的治疗方法。因此，科学家们必须十分谨慎，避免媒体对基因治疗过分夸大的报道，否则会失去公众的信任和信心。在应用人多能干细胞时，也必须十分留心。就像我们看到的那样，对公众中的某些人来说，这些细胞的来源相当于破坏人的生命。事实是在我们确切知道干细胞治疗的实际用途之前，还有许多障碍要跨越。当我们向前继续探索的每时每刻，我们必须诚实.