神經干細胞：鑒定、功能、培養(yǎng)和分離

中樞神經系統(tǒng)

成熟的哺乳動物中樞神經系統(tǒng)（CNS）由三大分化細胞類型組成：神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞。神經元通過動作電位和神經遞質向其他神經元、肌肉細胞或腺細胞傳遞信息。星形膠質細胞和少突膠質細胞統(tǒng)稱為膠質細胞，除了為神經元的最佳功能和存活提供重要的支持作用外，它們自身也發(fā)揮著重要作用。

在哺乳動物胚胎發(fā)育過程中，中樞神經系統(tǒng)的發(fā)育始于神經外胚層的誘導，神經外胚層形成神經板，然后折疊形成神經管。在這些神經結構中，存在著復雜而異質的神經上皮祖細胞（NEP）群體，這是最早形成的神經干細胞類型。在神經發(fā)育的早期階段，NEPs經歷對稱分裂以擴大神經干細胞池。在神經發(fā)育的后期階段，神經干細胞轉入非對稱分裂周期，并產生受系限制的祖細胞。中間神經元祖細胞首先形成，隨后分化生成神經元。在這一神經源階段之后，NSCs經過不對稱分裂，產生神經膠質限制性祖細胞，進而生成星形膠質細胞和少突膠質細胞。中樞神經系統(tǒng)發(fā)育的后期包括軸突修剪和神經元凋亡期，這對中樞神經系統(tǒng)的回路進行了微調。

以前有一種長期存在的教條認為，成年哺乳動物中樞神經系統(tǒng)中的神經發(fā)生是完全的，使其無法進行有絲分裂以生成新的神經元，因此缺乏修復因疾病（如帕金森病、多發(fā)性硬化癥）或損傷（如脊髓和腦缺血損傷）造成的受損組織的能力。然而，現(xiàn)在有確鑿證據(jù)表明，在成熟的哺乳動物中樞神經系統(tǒng)中確實存在多能性間充質干細胞，盡管它們只存在于特殊的微環(huán)境中。這一發(fā)現(xiàn)推動了一個新時代的研究，即了解這些細胞在治療中樞神經系統(tǒng)疾病和損傷方面的巨大潛力。

神經干細胞的鑒定

神經生物學家通常交替使用各種術語來描述中樞神經系統(tǒng)的未分化細胞。最常用的術語是“干細胞”、“前體細胞”和“祖細胞”。不恰當?shù)厥褂眠@些術語來識別中樞神經系統(tǒng)中的未分化細胞，導致了神經干細胞和神經祖細胞研究領域的混亂和誤解。然而，中樞神經系統(tǒng)中這些不同類型的未分化細胞在技術上具有不同的特征和命運。為了清楚起見，這里使用的術語是：

神經干細胞（NSC）：能夠自我更新和無限制增殖的多能細胞，產生最終分化為神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞的子代細胞。NSC 的非干細胞后代被稱為神經祖細胞。
神經祖細胞：神經祖細胞具有增殖和分化成多種細胞類型的能力。因此，神經祖細胞可以是單能的、雙能的或多能的。神經祖細胞的一個顯著特征是，與干細胞不同，它的增殖能力有限并且不表現(xiàn)出自我更新。
神經前體細胞（NPC）：此處使用的是指由神經干細胞的所有未分化子代組成的混合細胞群，因此包括神經祖細胞和神經干細胞。神經前體細胞一詞通常用于統(tǒng)稱源自胚胎干細胞和誘導多能干細胞的神經干細胞和神經祖細胞的混合群體。

1992年之前，大量報告證明了在生長因子存在下從胚胎組織分離的神經祖細胞的神經發(fā)生和體外增殖有限的證據(jù)。^3-5雖然已在成人中樞神經系統(tǒng)中鑒定出多個神經祖細胞亞群，但研究人員無法令人信服地證明干細胞的特征，即自我更新、延長的增殖能力和多譜系潛力的保留。體內研究支持增殖發(fā)生在生命早期的觀點，而成人中樞神經系統(tǒng)有絲分裂不活躍，并且在受傷后無法產生新細胞。

值得注意的例外包括20世紀60年代的幾項研究，這些研究清楚地確定了成人大腦中表現(xiàn)出增殖的區(qū)域（前腦室管膜下）⁶，但人們認為這是物種特異性的，并且不認為存在于所有哺乳動物中。20世紀90年代初，從胚胎和成體中樞神經系統(tǒng)中分離出對特定生長因子有反應并在體外表現(xiàn)出干細胞特征的細胞。

^7-8通過這些研究，Reynolds和Weiss證明，成人CNS中的罕見細胞群表現(xiàn)出干細胞的定義特征：自我更新、產生大量后代的能力和多譜系潛力。后來確定干細胞在成人大腦中的位置位于紋狀體內，⁹研究人員開始表明，從該區(qū)域以及成人大腦側腦室的背外側區(qū)域分離的細胞能夠分化為兩者神經元和神經膠質細胞。¹⁰

神經干細胞在體內的功能

在哺乳動物中樞神經系統(tǒng)發(fā)育過程中，從神經管產生的神經前體細胞產生多能和更受限的神經祖細胞庫，然后增殖、遷移并進一步分化為神經元和神經膠質細胞。在胚胎發(fā)生過程中，神經前體細胞源自神經外胚層，并且可以在神經板和神經管形成過程中首先被檢測到。隨著胚胎的發(fā)育，在胚胎小鼠、大鼠和人類中樞神經系統(tǒng)的幾乎所有區(qū)域都可以識別出神經干細胞，包括隔膜、皮質、丘腦、腹側中腦和脊髓。從這些區(qū)域分離的NSC具有獨特的空間特性和分化潛力。

與發(fā)育中的神經系統(tǒng)相比，神經系統(tǒng)相當普遍，具有“神經干細胞”特征的細胞主要定位于成熟中樞神經系統(tǒng)的兩個關鍵區(qū)域：室下區(qū)（SVZ），內襯前腦側腦室，和海馬結構齒狀回的顆粒下層（稍后描述）。¹¹

在成年小鼠大腦中，SVZ含有異質的增殖細胞群。然而，人們相信B型細胞（激活的GFAP+/PAX6+星形膠質細胞或星形膠質細胞樣NSC）是表現(xiàn)出干細胞特性的細胞，并且這些細胞可能直接源自放射狀膠質細胞，放射狀膠質細胞是神經系統(tǒng)中主要的神經前體群體。早期發(fā)育的大腦。該生態(tài)位中的NPC在正常生理條件下相對靜止，但在照射后可被誘導增殖并重新填充SVZ。

¹⁰室下區(qū)神經干細胞通過產生快速分裂的轉運放大祖細胞（TAP或C細胞）維持整個成年期的神經發(fā)生，然后分化并產生神經母細胞。TAP和神經母細胞通過頭端遷移流 (RMS) 遷移，并進一步分化為嗅球中的新中間神經元。這種持續(xù)的神經發(fā)生得到了SVZ中NSC的支持，對于維持嗅覺系統(tǒng)至關重要，為嚙齒類動物的嗅球和非人類靈長類動物的聯(lián)合皮層提供了新的神經元來源。¹²盡管成人大腦中的RMS一直難以捉摸，但也觀察到神經母細胞通過RMS進行類似的遷移。¹³

神經發(fā)生也持續(xù)存在于海馬體的顆粒下區(qū)，該區(qū)域對于學習和記憶很重要，導致新顆粒細胞的產生。譜系追蹤研究已將神經祖細胞定位到海馬背側區(qū)域，即齒狀回內塌陷的腦室中。

¹⁰研究表明，來自顆粒下層的神經源性細胞的增殖潛力可能比室下區(qū)神經干細胞更有限，并且比真正的干細胞更有可能是祖細胞。¹⁴最近的證據(jù)還表明，神經發(fā)生在海馬體中與嗅球中發(fā)揮著不同的作用。雖然室下區(qū)神經干細胞發(fā)揮維持作用，但人們認為海馬神經發(fā)生有助于增加新神經元的數(shù)量，并有助于海馬在整個成年過程中的生長。¹²

神經祖細胞也在脊髓中央管腦室區(qū)和軟腦膜邊界^15-16中被鑒定出來，并且將來可能會鑒定出更多的區(qū)域祖細胞群。

中科神經干細胞培養(yǎng)系統(tǒng)

旨在分離、擴展和功能表征NSC群體的體外方法徹底改變了我們對神經干細胞生物學的理解，并增加了我們對NSC遺傳和表觀遺傳調控的了解。¹⁷在過去的幾十年里，人們開發(fā)了許多培養(yǎng)系統(tǒng)，試圖重現(xiàn)神經系統(tǒng)不同的體內發(fā)育階段，從而能夠隔離和擴展處于不同發(fā)育階段的不同NPC群體。在這里，我們概述了從多能干細胞 (PSC) 生成NPC，以及從早期胚胎、出生后和成人CNS中分離和擴增NSC的常用培養(yǎng)系統(tǒng)。

多能干細胞的神經誘導和分化

早期NPC可源自小鼠和人類PSC，其中包括胚胎干細胞 (ESC) 和誘導多能干細胞 (iPSC)，在分化的第一階段使用適當?shù)纳窠浾T導條件。雖然這些神經分化方案差異很大，但流行的基于胚體的方案的一個顯著特征是生成神經“玫瑰花結”，即包含NPC的形態(tài)可識別結構，據(jù)信代表神經管。然后，神經花結結構中存在的 NPC被分離出來，并且可以繁殖以允許NPC擴張，同時保持生成神經元和神經膠質細胞的潛力。

最近的研究表明，PSC的神經誘導也可以在單層培養(yǎng)系統(tǒng)中實現(xiàn)，其中將人ESC和iPSC鋪在特定的基質上，并暴露于誘導因子。¹⁸特定細胞因子或小分子的組合被認為可以模擬胚胎發(fā)生過程中大腦發(fā)育時空模式的發(fā)育線索，可以在神經誘導階段將其添加到培養(yǎng)物中，以促進NPC的區(qū)域化。然后，這些“模式化”的NPC 可以分化為具有代表大腦不同區(qū)域表型的成熟細胞類型。^19-24已開發(fā)出新方案，可從PSC衍生的神經祖細胞生成腦類器官。大腦類器官概括了人類大腦發(fā)育的特征，包括形成具有特征性層狀細胞組織的離散大腦區(qū)域。²⁵

神經球培養(yǎng)

神經球培養(yǎng)系統(tǒng)自開發(fā)以來作為一種識別神經干細胞的方法已被廣泛使用。^26-29對中樞神經系統(tǒng)的特定區(qū)域進行顯微解剖、機械或酶解，并在有絲分裂因子（如表皮生長因子 (EGF) 和/或堿性成纖維細胞生長因子）存在下鋪在確定的無血清培養(yǎng)基中bFGF）。

在神經球培養(yǎng)系統(tǒng)中，NSC以及神經祖細胞響應這些有絲分裂原而開始增殖，2-3天后形成小細胞簇。簇的尺寸繼續(xù)增大，到第3-5天，大多數(shù)簇從培養(yǎng)物表面分離并開始在懸浮液中生長。大約第七天，根據(jù)細胞來源，細胞簇（稱為神經球）的直徑通常為100-200μm，由大約10,000-100,000個細胞組成。

此時，應該對神經球進行傳代，以防止細胞簇生長太大，否則會因神經球中心缺乏氧氣和營養(yǎng)交換而導致壞死。為了傳代培養(yǎng)物，將神經球單獨或作為群體機械或酶解成單細胞懸浮液，并在與原代培養(yǎng)物相同的條件下重新鋪板。NSC和神經祖細胞再次開始增殖，形成新的細胞簇，并在大約5-7天后準備傳代。

通過重復上述過程進行多次傳代，培養(yǎng)物中存在的NSC將自我更新并產生大量后代，導致細胞總數(shù)隨著時間的推移相對一致地增加。以這種方式處理的來自胚胎小鼠中樞神經系統(tǒng)組織的神經球可以傳代長達10周，而其增殖能力不會喪失，從而導致總細胞數(shù)量增加100倍以上。在低血清培養(yǎng)基存在下，通過去除有絲分裂原并將完整的神經球或解離的細胞鋪在粘附基質上，可以誘導NSC和神經祖細胞分化。

幾天后，幾乎所有的神經干細胞和后代都會分化成中樞神經系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的三種主要神經細胞類型：神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞。雖然培養(yǎng)基、生長因子要求和培養(yǎng)方案可能有所不同，但神經球培養(yǎng)系統(tǒng)已成功用于從許多物種（包括小鼠、大鼠和人類）的胚胎和成體CNS的不同區(qū)域分離NSC和祖細胞。

貼壁單層培養(yǎng)

或者，從CNS組織獲得的細胞可以在補充有EGF和/或bFGF的成分確定的無血清培養(yǎng)基中，在底物如聚-L-鳥氨酸、層粘連蛋白或纖連蛋白的存在下作為貼壁培養(yǎng)物進行培養(yǎng)。當在這些條件下鋪板時，神經干細胞和祖細胞將附著在基底包被的培養(yǎng)皿上，而不是彼此相反，形成粘附的單層細胞，而不是神經球。據(jù)報道，在長期貼壁單層培養(yǎng)物中擴增NSC的成功率各不相同，可能是由于所用底物、無血清培養(yǎng)基和生長因子的差異所致。

¹⁷最近，采用層粘連蛋白作為底物以及含有EGF和bFGF的適當無血清培養(yǎng)基的方案已能夠支持小鼠和人類CNS組織的神經前體細胞的長期培養(yǎng)。^30-32這些貼壁細胞在5-10天內增殖并融合。為了傳代培養(yǎng)物，通過酶處理將細胞從表面分離，并在與原代培養(yǎng)物相同的條件下重新鋪板。據(jù)報道，在貼壁單層條件下培養(yǎng)的神經干細胞在長期培養(yǎng)中會發(fā)生對稱分裂。^30,33與神經球培養(yǎng)系統(tǒng)類似，貼壁培養(yǎng)的細胞可以傳代多次，并在去除有絲分裂原并暴露于低血清培養(yǎng)基后誘導分化為神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞。

幾項研究表明，在神經球培養(yǎng)物中培養(yǎng)CNS細胞并不能有效維持NSC并產生異質細胞群，而在無血清貼壁培養(yǎng)條件下培養(yǎng)細胞確實可以維持NSC。¹⁷雖然這些報告沒有直接比較使用相同培養(yǎng)基、生長因子或細胞外基質的神經球和貼壁單層培養(yǎng)方法來評估NSC數(shù)量、增殖和分化潛力，但他們強調培養(yǎng)系統(tǒng)可以影響 NSC和神經干細胞的體外功能特性。重要的是，NSC研究的體外方法在設計時要考慮到這一警告，并清楚地了解這些方法旨在測量的內容。^34-35

中科神經干細胞的分離策略

使用針對干細胞、祖細胞和成熟CNS細胞上存在的細胞表面標記物的抗體的免疫磁性或免疫熒光細胞分離策略已應用于NSC的研究。

與其他系統(tǒng)的干細胞類似，中樞神經系統(tǒng)干細胞的表型尚未完全確定。CD34、CD133和CD45抗原的表達或缺乏表達已被用作潛在CNS干細胞亞群初步表征的策略。具有表型CD133⁺5E12⁺CD34^–CD45^–CD24^-/lo的人類胎兒CNS細胞的獨特子集能夠在培養(yǎng)物中形成神經球、啟動次級神經球形成并分化為神經元和星形膠質細胞。

³⁶使用類似的方法，基于熒光激活細胞分選 (FACS)從成年小鼠腦室周圍區(qū)域分離巢蛋白⁺PNA^–CD24^–細胞，使NSC顯著富集（分選群體中的頻率為80%，代表增加了100倍）來自未分類的群體）。³⁷然而，當使用更嚴格的神經集落形成細胞 (NCFC) 測定重新評估該策略時，發(fā)現(xiàn)富集的NSC群體的純度較低。

在中樞神經系統(tǒng)發(fā)育的不同階段檢測到的^38-39NSC子集已被證明表達標記物，例如巢蛋白、GFAP、CD15、Sox2、Musashi、CD133、EGFR、Pax6、FABP7 (BLBP) 和GLAST^40-45。然而，這些標記物都不是 NSC 特有表達的；許多也由神經祖細胞和其他非神經細胞類型表達。研究表明，多種組織中的干細胞，包括骨髓、骨骼肌和胎兒肝臟，可以通過其流出熒光染料（如 Hoechst 33342）的能力來識別。這樣的群體，稱為“側群體”，或SP（基于其在流式細胞儀上的分析），也在小鼠原代中樞神經系統(tǒng)細胞和培養(yǎng)的神經球中得到了鑒定。

⁴⁶其他非免疫學方法已用于根據(jù)干細胞的一些體外特性（包括FABP7表達和高乙醛脫氫酶 (ALDH) 酶活性）來識別來自正常和致瘤中樞神經系統(tǒng)組織的細胞群。來自胚胎大鼠和小鼠中樞神經系統(tǒng)的 ALDH-bright 細胞已被分離出來，并被證明具有在體外產生神經球、神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞的能力，以及當移植到成年小鼠大腦皮層時在體內產生神經元的能力。^47-50

腦腫瘤干細胞

多能神經干細胞樣細胞，稱為腦腫瘤干細胞 (BTSC) 或癌癥干細胞 (CSC)，已從不同級別（低級和高級）和類型的腦癌（包括神經膠質瘤和髓母細胞瘤）中鑒定和分離。^51-52與NSC類似，這些BTSC在體外表現(xiàn)出自我更新、高增殖能力和多譜系分化潛力。他們還在免疫功能低下的小鼠中啟動了與母體腫瘤表型相似的腫瘤。⁵³尚未發(fā)現(xiàn) BTSC 的獨特標記，但最近的研究表明腫瘤包含異質細胞群，其中一部分細胞表達推定的 NSC標記CD133。從原發(fā)性腫瘤樣品中純化的⁵³CD133+細胞在注射到原發(fā)性免疫功能低下的小鼠中時形成原發(fā)性腫瘤，并且在連續(xù)移植到繼發(fā)性受體小鼠中時形成繼發(fā)性腫瘤。⁵³然而，CD133也由不同組織中的分化細胞表達，并且 CD133 ^– BTSC 也可以在免疫功能低下的小鼠中引發(fā)腫瘤。^54-55因此，CD133單獨使用或與其他標志物聯(lián)合使用是否可用于區(qū)分不同級別和類型的腦腫瘤中的腫瘤起始細胞和非腫瘤起始細胞仍有待確定。最近，F(xiàn)ABP7作為NSC和BTSC的CNS特異性標記物而受到關注。^{42-43, 57}

神經球和貼壁單層培養(yǎng)方法均已應用于BTSC的研究。當培養(yǎng)正常NSC時，需要有絲分裂原EGF（和/或bFGF ）來維持NSC增殖。然而，有一些跡象表明，培養(yǎng)BTSC時不需要這些有絲分裂原。⁵⁷有趣的是，神經球測定可能是BTSC研究的臨床相關功能讀數(shù)，新出現(xiàn)的證據(jù)表明，可再生神經球形成是培養(yǎng)的人類神經膠質瘤樣本中患者死亡風險增加和腫瘤快速進展的重要預測因素。^58-60此外，貼壁單層培養(yǎng)已被證明能夠使膠質瘤來源的BTSC純群體在體外擴增。⁶¹

概括

NSC生物學領域的研究在過去約30年中取得了重大飛躍。與上個世紀的看法相反，成年哺乳動物大腦保留了少量位于特定中樞神經系統(tǒng)區(qū)域的真正的神經干細胞。中樞神經系統(tǒng)駐留NSC的鑒定以及來自小鼠和人類的成體細胞可以被重編程為多能狀態(tài)^62-68然后定向分化為神經細胞類型的發(fā)現(xiàn)，為旨在替代神經細胞的新治療途徑打開了大門中樞神經系統(tǒng)細胞丟失或損壞。這可能包括移植源自胎兒或成人中樞神經系統(tǒng)組織的神經祖細胞或多能干細胞。

最近的研究表明，使用適當?shù)霓D錄因子，可以直接將成體體細胞重新編程為特定的細胞命運，例如神經元，從而繞過對誘導多能干細胞中間體的需要。⁶⁹通過強制表達單一轉錄因子（如 Pax6 或前神經轉錄因子神經原蛋白-2 (Neurog2)），來自出生后早期大腦皮層的星形膠質細胞可在體外重新編程為能夠發(fā)出動作電位的神經元。⁷⁰為了開發(fā)治療中樞神經系統(tǒng)損傷和疾病的細胞療法，需要更深入地了解神經干細胞和祖細胞的細胞和分子特性。

總結：隨著神經干細胞：鑒定、功能、培養(yǎng)和分離的機制原理漸漸清晰，同時也為眾多神經系統(tǒng)疾病患者帶來了曙光，也再次驗證了神經干細胞移植，在改善帕金森、自閉癥、精神疾病、阿爾茨海默病等方面的臨床應用價值。小編也希望未來神經干細胞移植能在我國上市，以造福更多的患者。如果您也飽受帕金森、自閉癥、失眠等疾病困擾，且經濟條件允許的情況下，可以提交近期檢查結果、病歷等資料，到杭吉干細胞科技服務中心，進行初步評估。

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神經干細胞移植

神經干細胞：鑒定、功能、培養(yǎng)和分離

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神經干細胞：鑒定、功能、培養(yǎng)和分離

中樞神經系統(tǒng)

神經干細胞的鑒定

神經干細胞在體內的功能