星形膠質細胞轉分化為神經元的研究進展

康文博，張賽，梁海乾

星形膠質細胞轉分化為神經元的研究進展

康文博，張賽，梁海乾△

近年來，轉分化技術在干細胞和再生學領域迅速發展，具有較大的研究價值。研究發現，隨著轉分化誘導條件的成熟，可以改變其他細胞的譜系來獲得神經元。并且，星形膠質細胞（As）廣泛分布于中樞神經系統的灰質和白質中，其過度增生會形成膠質纖維瘢痕，是阻礙神經功能恢復的關鍵。因此，As轉分化為神經元成為目前研究的熱點。As的轉分化既可以阻止膠質瘢痕的形成，又能獲得新的神經元。本文就As的功能及其轉分化為神經元的相關研究進行綜述。

細胞轉分化；神經元；星形膠質細胞

在中樞神經系統中，神經干細胞可以分化為神經元和膠質細胞，膠質細胞又包括星形膠質細胞（As）、少突膠質細胞、脈絡叢細胞和小膠質細胞［1］。其中As含量達80%～90%，廣泛分布于中樞神經系統的灰質和白質中，對神經元的作用具有雙面性［2］。在神經組織損傷后，一方面，As增生會局限損傷區域，防止微生物或毒素擴散；另一方面，As過度增生會形成膠質纖維瘢痕，阻礙神經功能的重建和恢復。隨著轉分化技術的發展和成熟，研究人員發現可以通過改變As的譜系，使其轉分化為所需要的神經元。因此，As轉分化為神經元的技術既解決了膠質瘢痕問題又解決了神經發生的問題。近年來，As轉分化為神經元的相關研究不斷深入，轉分化誘導條件不斷成熟且誘導方式逐漸多樣性，這為神經損傷和神經系統退行性病變的患者帶來了曙光。

1 As的生理病理狀態

1.1 As的功能 最早認為As的功能是支持、隔離與絕緣的作用：As廣泛存在于中樞神經系統，構成神經組織的支架；As與腦毛細血管共同培養，會誘導出血腦屏障的許多特性，參與血腦屏障的形成；As及其突起有益于膠質分隔，維持了血管、神經元胞體、軸突和突觸結構的穩定，并將神經纖維和末梢隔離，起到絕緣作用［3］。隨著對As的不斷了解，發現其對神經元還有很多作用。一方面，增生的As可以促進神經發生，引導神經元遷移。研究發現，海馬區的神經干細胞在與來自新生大鼠的海馬區As共同培養時，神經發生率增加了8倍［4］。還有研究發現As表達的白細胞介素（IL）-6、IL-1β可誘導神經干細胞的神經發生［5］。在中樞神經系統發育過程中，As的前體細胞即放射性膠質細胞可以指引有絲分裂后期的神經元由大腦中側腦室壁腦室下區（sub ventricular zone，SVZ）遷移至靶位置［6］。另一方面，As可以分泌成纖維生長因子（fibroblast growth factors，FGF）、腦源性神經營養因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）和谷胱甘肽來促進神經元軸突和樹突的形成［7-8］，進一步形成功能性神經元。

As也是神經元的能量轉繼站。葡萄糖需要在As中酵解加工產生乳酸，以乳酸鹽的形式為神經元提供能量。神經元興奮時，可釋放興奮遞質谷氨酸，谷氨酸與Na+通過As膜受體進入細胞，同時Na+的升高激活Na+-K+-ATP酶，并在葡萄糖轉運蛋白的協助下吸收葡萄糖并進行酵解，釋放乳酸鹽［9］。

1.2 As過度增生形成瘢痕 當神經組織損傷或神經系統發生退行性變時，As受刺激活化成為反應性星形膠質細胞，形態表現為增生、肥大、突起增粗、分支增多，功能反應性增強，結蛋白、肌球蛋白表達增強［10］。并且，特異性反應蛋白如膠質纖維酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）和硫酸軟骨蛋白多糖（chondroitin sulphate proteoglycans，CSPG）生成也會增多。當損傷和病變組織引起的反應超過了一定的程度或者長期慢性刺激就會引起As的過度增生而形成膠質瘢痕［11］。膠質瘢痕主要由As、CSPG、小膠質細胞、少突膠質前體細胞（NG2）和一些胞外基質等成分組成。一方面，膠質瘢痕封閉病變組織，防止微生物感染和細胞損傷蔓延，維持細胞內外離子平衡，阻止免疫反應和細胞因子的過度表達，同時清除自由基。另一方面，膠質瘢痕產生CSPG生長抑制因子，可阻止軸突生成和神經發生［12］；基底膜成分形成一種物理屏障，阻礙再生軸突跨越病變區域；同時小膠質細胞發生形態學改變，釋放促炎因子，導致過度免疫反應，損傷軸突；基質細胞占居病變中心，隨即合成結締組織因子，導致纖維化［13］。膠質瘢痕的形成最終影響神經發生，阻礙軸突再生，導致神經功能不能恢復。

2 不同譜系細胞轉分化為神經元

轉分化是指在一定條件下，一種細胞改變其譜系，表現出另一種細胞表型的現象。近年研究發現，許多成體細胞可以通過改變其表型而轉分化為其他譜系的細胞。根據轉分化方式的不同，可以將轉分化分為間接轉分化和直接轉分化2種形式［14］。

最早研究是先將其他細胞轉分化或去分化為神經干細胞，然后再進一步誘導新生神經干細胞為神經元。例如，人肝分離出的造血干細胞，在培養As的條件培養基中培養可獲得神經干細胞，進一步被誘導可得到神經元［15］；再者，研究人員將重編程因子Oct4、Sox2或者Nanog導入As中培養，發現可以獲得神經干細胞或神經祖細胞，繼續利用維甲酸等因素誘導可以產生神經元［16］。先誘導出神經干細胞再分化為神經元，這種間接方式存在很多不足，如致瘤性、過程復雜和排斥反應［17］。

后來研究轉向了直接轉分化為神經元，越過了神經干細胞的過程。例如，人臍帶來源的間充質干細胞和大鼠激活態雪旺細胞聯合培養［18］，前者可以表現出神經元特性；人骨髓基質干細胞（human bone marrow stromal stem cells，hBMSCs）在維甲酸和人類嗅鞘細胞（human olfactory ensheathing cells，hOECs）刺激下被誘導成神經元［19］，或者大鼠BMSCs在地黃多糖誘導下轉分化為神經元樣細胞［20］；也有研究利用病毒轉導髓鞘轉錄因子樣1（myelin transcription factor-like 1，Myt1l，ABM）將小鼠和人的成纖維細胞轉化為功能性神經元［21］。這些實驗結果表明了直接轉分化技術已經成熟。而且，其與間接轉分化相比，避開了生成神經干細胞的階段，縮短了轉分化時間，降低了過程的復雜性和致瘤性。但是，直接轉分化神經元的方法也有一定的自限性。例如：轉分化為神經元的效率低；新生的神經元增殖和遷移能力有限；最重要的一點是，被轉分化的細胞來自異體細胞，避免不了排斥反應。

3 As轉分化為神經元

神經系統疾病如阿爾茨海默病、癲癇等的發生發展以及腦血管病或腦外傷的發生均伴隨膠質瘢痕的形成。雖然成人SVZ和海馬齒狀回的顆粒下層（sub granular zone，SGZ）存在成熟的神經干細胞，但數量和遷移能力有限，很難到達病灶區產生功能性神經元［22］。想要解決這些問題，就要發現既能控制膠質瘢痕的形成，又能轉分化為神經元的細胞。因此，研究人員開始對膠質瘢痕中的主要細胞即As進行研究，誘導As轉分化為神經元。將As轉分化為神經元技術，既解決了免疫排斥反應，因為As是自體細胞；又解決了轉分化的數量問題，雖然效率低，但是基數大；同時也解決了遷移的問題，因為As本身具有遷移能力，它可以遷移到病變部位發生轉分化。

3.1 As間接轉分化為神經元 在研究胚胎干細胞分化為其他各類細胞的基礎之上，研究人員發現成年小鼠大腦的As在以病毒為媒介導入轉錄因子Sox2時，Sox2的強制性異位表達可以使As表現出神經母細胞的特性，但這不是最終目的。隨后再利用BDNF和頭蛋白或者利用組蛋白去乙?；种苿⑸窠浤讣毎T導分化為神經元［23］。不僅在成年小鼠的大腦As中發現這種現象，也有研究人員發現在成年小鼠脊髓損傷中分離的As也可以在Sox2的表達下轉分化為雙皮質素陽性（dual cortisol positive，DCX-positive）的神經母細胞，同樣利用組蛋白去乙?；种苿焖岱只癁樯窠浽?4］。脊髓不同于大腦的SVZ和SGZ區，沒有神經發生，因此更能證明神經元是轉分化的結果，也為脊髓損傷的治療開創了新的途徑。以上方法需要手術移植，最佳治療時間是在損傷的亞急性期。但是間接轉分化為神經元需要的時間較長，步驟繁瑣，培養出神經元時已經是損傷的慢性期。而且，干細胞有致瘤性，神經母細胞也不例外。手術移植也會有后遺癥，如產生的神經元可能形成神經回路，導致神經傳導不能通過。

3.2 As直接轉分化為神經元

3.2.1 As體外直接轉分化為神經元 隨著研究的深入，Berninger等［25］在體外利用逆轉錄病毒分別攜帶轉錄因子Pax6、Neurog2和Mash1導入小鼠的As，在合適的培養基條件下As成功被轉分化為神經元，用綠色熒光和時間推移呈像技術檢測出神經元是由As轉分化而來，通過膜片鉗技術發現有動作電位的產生。這項實驗證明了功能性神經元可以在體外產生。Torper等［21］將小鼠紋狀體或人胚胎分離的As中導入用慢病毒攜帶的轉錄因子Ascl1、Brn2a和Myt1l，前者被轉分化為誘導性神經元。將誘導性神經元移植入小鼠腦組織，發現存在神經電傳導，證明了體外培養的神經元在小鼠體內可以存活并具有功能。Ding等［26］利用攜帶單一基因Mash1的重組質粒導入As，1周后發現As表現出神經元的形態，并通過免疫熒光和Western blot技術發現被轉分化的As具有神經元的特性。Potts等［27］也用單一基因——混合系白血病-1（Mll1）直接將As成功轉分化為神經元。

神經元可以根據釋放的遞質分為膽堿能神經元、胺能神經元、氨基酸能神經元和肽能神經元。Heinrich等［28］從小鼠大腦皮質中分離出As，并將攜帶轉錄因子的逆轉錄病毒導入As，一組病毒攜帶背側端腦決定因子Neurog2，另一組病毒攜帶腹側端腦決定因子-DLX2，結果表明，導入Neurog2的As主要轉分化為谷氨酸能神經元（興奮性神經元），而導入DLX2的As主要轉分化為γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）能神經元（抑制性神經元）。該實驗證明不同的轉錄因子可以使As轉分化為不同亞型的神經元。但是，以上研究結果是在體外實現的，雖然體外培養基模仿了體內環境，但是體內的微環境是不斷變化的。

3.2.2 As體內直接轉分化為神經元 體內進行直接轉分化，不僅操作簡單、降低了手術風險性，細胞可以根據體內的環境進行生長分化，優于以往的實驗方法。但是，成功率低，因此這方面的研究也很少。Guo等［29］建立腦損傷和阿爾茨海默病的小鼠模型，用攜帶轉錄因子NeuroD1的逆轉錄病毒注入小鼠的大腦皮質中，免疫熒光檢測發現As轉分化為谷氨酸能神經元；該研究同時證明了瘢痕組織中的另一類細胞NG2既可以轉分化為谷氨酸能神經元，也可以轉分化為GABA能神經元，并且利用電生理皮質切片記錄技術證明了新生神經元有突觸形成。該研究說明直接轉分化在動物體內可以實現。

4 展望

As直接轉分化為神經元雖然提高了安全性、減少了治療時間窗，解決了存活數量有限、牽引能力不足等問題，但是依舊存在一定的致瘤性；雖然解決了數量問題，但是轉分化的效率依然很低。而且，顱腦創傷后損傷處以As為主的膠質瘢痕組織中還有很多其他外周細胞，例如表達血小板衍生生長因子受體-β（platelet-derived growth factor receptor-β，PDGFRβ）細胞、平滑肌肌動蛋白、CD146、CD13陽性的少突膠質細胞等。Karow等［30］以外科手術的方法從患者的大腦皮質病灶處提取標本，利用攜帶轉錄因子Sox2和Mash1的逆轉錄病毒導入標本中培養一段時間后，可以得到功能性神經元，但效率依舊很低。因此，同時解決細胞的致瘤性和轉分化的效率問題成為了研究人員的研究方向。目前，所有的研究均尚未用于臨床實踐，只是在體外或者小鼠神經組織中檢測有神經發生，至于用于臨床患者的肢體功能或者認知能力是否能夠得到恢復還是未知數。這些問題的解決將為神經系統疾病的臨床治療帶來曙光。

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（2014-10-31收稿 2015-01-22修回）

（本文編輯 李鵬）

Research progress of transforming astrocytes into neurons

KANG Wenbo，ZHANG Sai，LIANG Haiqian△
Department of Brain of Affiliated Hospital of Logistics University of Chinese people′s Armed Police Forces，The Key Laboratory of Tianjin Neurotrauma Repair，Tianjin 300162，China
△Corresponding Author E-mail:13502071825@163.com

In recent years，the rapid development of stem cell transforming technology and regeneration pose great research value.With maturation of transformation induction，other cell lineages were shown to be able to transform into neurons.In addition，astrocytes are widely distributed in the gray and white matter of the central nervous system，whose excessive proliferation contribute to glial fibrillary scar formation，which is the key obstacle in recovery of neurological function.Therefore，the study of transforming astrocytes into neurons draw attention from many scientists.Astrocytes transformation not only prevent the formation of glial scar，but also generate new neurons.This article summarized relevant studies that report function of astrocytes and its transformation into neurons.

cell tranformation；neurons；astrocytes

R741.05

A DOI:10.11958/j.issn.0253-9896.2015.06.031

國家自然科學基金資助項目（81271392，81301050）

武警后勤學院附屬醫院腦科醫院，天津市神經創傷修復重點實驗室（郵編300162）

康文博（1988），男，碩士在讀，主要從事神經外科方面研究

△E-mail:13502071825@163.com