神經干細胞 (NSC) 越來越多地被認為是治療中樞神經系統 (CNS) 損傷的細胞療法最有希望的候選對象，這主要是因為它們具有多能分化能力以及出色的分泌和歸巢特性。

近年來，人們開始廣泛研究探索神經干細胞移植對中樞神經系統損傷的治療潛力，并取得了重大進展。然而，由于損傷后形成不利的微環境，導致移植的NSC在宿主神經網絡中的存活、分化和整合不理想，基于NSC的移植療法往往無法達到最佳治療效果。

為了應對這一挑戰，基因改造已成為一種有吸引力的策略來改善NSC療法的效果。這主要歸因于它不僅可以增強NSC的分化能力，還可以促進一系列生物活動，例如分泌生物活性因子、抗炎作用、抗凋亡特性、免疫調節、抗氧化功能和血管生成。此外，基因改造使NSC在神經損傷的情況下發揮更強的神經保護作用。

轉基因神經干細胞移植治療中樞神經系統損傷和神經系統疾病的進展

近日，在《Stem Cell Research&Therapy》雜志上發表了一項“轉基因神經干細胞治療中樞神經系統損傷和神經系統疾病的進展”的文獻綜述，研究人員探頭了用各種治療基因進行基因改造的神經干細胞在治療神經損傷和神經疾病方面的作用和機制的最新進展[1]。

本綜述首次對神經干細胞的特點、來源和有利于神經再生的特有基因改造，以及經過基因改造的神經干細胞在細胞治療中對各種神經損傷和神經系統疾病的治療能力進行了前所未有的全面分析。

此外，我們還詳細總結了針對中樞神經系統損傷和疾病模型的基于基因改造的神經干細胞療法的移植時機、途徑和劑量的最新進展。

我們相信這篇綜述可以幫助更好地理解轉基因NSC促進神經損傷修復的調控機制，并啟發未來的實驗研究，以更好地確定中樞神經系統損傷和疾病的治療方案。

01什么是神經干細胞和轉基因神經干細胞

神經干細胞的特點

神經干細胞（Neural Stem Cells，簡稱NSCs）是一類具有自我更新和多向分化潛能的干細胞，它們在中樞神經系統（CNS）的發育和修復中扮演著重要角色。以下是NSCs的一些主要特點：

1. 自我更新和克隆擴增：NSCs可以通過對稱分裂進行自我更新，保持干細胞池的大小，并通過增殖實現克隆擴增。

2. 多能分化：NSCs具有多向分化潛能，可以通過不對稱分裂產生多種表型不同的神經元和神經膠質細胞，包括神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞。

3. 歸巢能力：NSCs具有歸巢能力，能夠定向遷移到受損區域，這一能力與多種趨化因子和粘附分子的表達密切相關。

4. 神經分化：在動物早期發育過程中，NSCs可以被誘導分化，生成整個中樞神經系統。

5. 促進神經修復：NSCs能夠通過多種機制促進神經修復，包括分泌神經營養因子和其他生物活性因子，改善不利的微環境，支持細胞存活，促進軸突再生，增強血管生成。

6. 治療潛力：NSCs在治療中樞神經系統損傷和神經退行性疾病方面具有巨大潛力，它們可以補充丟失的神經元，減輕神經損傷。

7. 年齡和區域特異性：在不同年齡段的哺乳動物大腦中，NSCs可以被吸引到距離神經退行性區域相當遠的地方，顯示出它們在不同年齡和腦區的分布和活性可能有所不同。

8. 細胞補充療法：基于NSCs的治療原則，細胞補充療法被廣泛認可，適用于對常規治療反應不佳的中樞神經系統損傷患者。

9. 分泌活性：NSCs能夠分泌多種產物，這些分泌物能夠改善微環境，促進神經修復和再生。

這些特點使得NSCs成為研究和治療中樞神經系統疾病的重要工具，尤其是在神經損傷和退行性疾病的治療中。

神經干細胞的來源和位置

神經干細胞（NSCs）的來源和位置是神經科學研究中的重要領域，以下是NSCs的主要來源和位置：

1. 胚胎起源：NSCs起源于胚胎發育過程中的側腦室壁內，包括皮質（Cx）、海馬（Hp）、紋狀體（St）、隔膜（SP）和脊髓中央管（SC）。

2. 成年哺乳動物大腦：腦室下區（SVZ）：大多數成年神經干細胞位于海馬齒狀回的腦室下區。顆粒下區（SGZ）：海馬的另一個區域，也是成年神經干細胞的主要位置。

3. 嗅球（OB）：成年嚙齒動物和人類嗅球中也存在NSCs，它們可以產生中間神經元，并且有研究表明新生神經元從側腦室的V-SVZ遷移到OB。

4.嗅粘膜：成年NSCs/神經前體細胞（NPCs）也可以從嗅粘膜中培養和表征，作為治療神經損傷和神經系統疾病的替代來源。

5. 外源性NSCs：移植外源性NSCs是治療神經系統疾病和損傷的一種有前途的策略，它們可以直接從胎兒和成人神經組織中分離，包括大腦和脊髓。

6. 多能干細胞轉分化：NSCs可以通過將多能干細胞轉分化獲得，包括胚胎干細胞（ESCs）和誘導性多能干細胞（iPSCs）。

iPSCs由成體細胞通過特定轉錄因子重新編程為多能狀態獲得。

7. 間充質干細胞（MSCs）：源自MSCs的NSCs也被提議作為神經系統疾病的創新細胞治療方法。

8. 轉分化的體細胞：NSCs可以從轉分化的體細胞中獲得，包括血細胞中的單核細胞、皮膚成纖維細胞和尿液細胞。

9. 永生化NSCs：通過引入與胚胎發生相關的基因，NSCs可以進一步永生化，從而可以選擇具有連續分裂能力的NSC克隆。

NSCs的這些來源和位置為研究和治療中樞神經系統疾病提供了多種途徑，包括細胞替代療法和基因轉移療法。通過這些方法，科學家們可以探索NSCs在神經修復和再生中的潛力。

我們為什么要研發轉基因神經干細胞，轉基因神經干細胞的價值

一、神經干細胞（NSC）臨床應用面臨的挑戰

移植的NSC雖有通過補充受損或壞死細胞、旁觀者免疫調節和神經營養機制發揮治療作用的潛力，但臨床應用面臨巨大挑戰，主要是移植的NSC存活率低且分化為神經細胞的效率低。脊髓損傷后，受損區域微環境惡化阻礙其增殖、遷移和分化潛力，影響治療效果。并且直接遞送神經營養因子等也存在如在血腦屏障滲透性有限、在神經組織內分布不充分、生物利用度低、半衰期短等問題。 

二、表觀遺傳修飾對神經干細胞的作用

表觀遺傳修飾在調節與神經發育和生長相關基因表達方面起關鍵作用，微小RNA（miR）作為關鍵的非編碼調節RNA，在神經發生過程中有動態表達模式并啟動多種功能，部分可作為病理狀況的有效治療靶點，已被用于增強NSC特性用于移植策略。像miR-124、miR-7b-3p等多個miR已被證實可通過不同機制增強NSC修復受傷或患病組織能力、改善神經功能、對抗中樞神經系統病變和神經系統疾病，通過多種表觀遺傳修飾對NSC進行調控代表著一種有前途的療法。

三、組合基因工程技術與干細胞療法的意義

神經損傷通常和炎癥、細胞壞死等多種有害因素相關，增強NSC的抗炎、抗凋亡等能力對治療中樞神經系統（CNS）損傷很關鍵。組合基因工程技術與基于干細胞的療法提供了創新思路，特定基因轉移到NSC中對治療中樞神經系統疾病有有效性，常見傳導的基因包含編碼神經遞質合酶、神經營養因子等的基因。

NSC作為傳遞治療基因的極具吸引力的候選對象，基因改造的NSC不僅能促進細胞存活和增殖，還能增強向神經細胞的分化，移植后可維持特定分子高水平表達，改善微環境，減輕炎癥等反應。 

四、轉基因神經干細胞移植的潛在價值

轉基因細胞的移植可能通過優化神經干細胞存活、增強神經元分化、促進軸突生長、可塑性和功能恢復等各種機制，為中樞神經系統損傷提供潛在更精準的治療策略。

使用轉基因神經干細胞移植治療中樞神經系統損傷

轉基因NSC/NPC的來源

用于治療中樞神經系統損傷的轉基因NSC/NPC的制備方法：

1. 分離自胚胎組織：多數NSC主要從胚胎的不同部位進行分離，比如胚胎14/14.5天的皮質、前腦、間腦、脊髓、海馬，還有成人嗅覺系統等，這些部位的組織是獲取NSC的來源之一。 

2. 永生化神經前體細胞系：像C17.2細胞系以及永生化人類NSC系HB1/F3，它們通過整合致癌基因實現無限增殖，憑借這一特性可進行大量生產，進而能為后續治療應用等提供充足的細胞來源。

3. 來自胚胎干細胞（ESC）的NSC/NPC：胚胎干細胞也是制備NSC/NPC的一個途徑，其具備相應的分化潛能等特點，可用于獲取滿足治療中樞神經系統損傷需求的細胞。 

4. 來自骨髓基質細胞的NSC/NPC：骨髓基質細胞能夠分化產生NSC/NPC，為中樞神經系統損傷治療相關細胞的制備提供了別樣的渠道。 

5. 誘導性多能干細胞衍生的NPC（iPSC-NPC）：iPSC/NPC可以從患者自體皮膚成纖維細胞中產生，這一優勢在于能夠避免干細胞移植帶來的免疫排斥和倫理問題，不過其在臨床前應用面臨著重編程效率低這一主要挑戰，需要先解決該問題才能更好地投入應用。

轉基因NSC/NPC移植的主要方法

目前對于脊髓損傷（SCI）治療最有效的NSC移植策略尚未達成共識，不同移植方法在宿主體內會產生不同治療結果，所以移植方法的選擇要具備適應性，主要依據損傷的類型和嚴重程度來確定。 

不同神經損傷對應的移植方法

• 創傷性腦損傷（TBI）：移植策略主要是腦內移植，例如將細胞注射到同側受傷半球。
• 脊髓損傷（SCI）：有多種移植途徑，包括病變內（IL）注射，也就是直接把細胞注射到病變中心，或者注射到病變周圍區域；還可采用鞘內（IT）給藥、靜脈注射以及腦室內注射（像將細胞送入脊髓）等方式。?
• 出血性中風：細胞移植主要是將細胞注射到上覆的皮質或同側紋狀體來進行。?
• 缺血性中風：移植涉及將NSC直接注射到同側側腦室、皮質和紋狀體，這已被多項研究證實。?
• 腦癱：是把懸浮在鹽水中的NSC通過立體定向注射到大鼠左側感覺運動皮質中，并且證明了其有效性。?

轉基因NSC/NPC移植的最佳策略依舊取決于神經損傷的具體情況，需要根據不同損傷類型等因素靈活選擇合適的移植方式來達到相對最佳的治療效果。

轉基因NSC/NPC移植劑量

雖然目前對于每次體內手術成功移植到病變部位的細胞數量尚無統一意見，但首次移植的細胞數量與神經損傷細胞療法的療效密切相關。

從臨床試驗角度，確定神經損傷的最佳移植細胞數量極為關鍵，移植細胞數量不足難以實現滿意的神經修復治療效果，而數量過多可能引發不良反應，像形成細胞凝塊，遺憾的是當下干細胞療法的細胞劑量還未確定。 

一、確定移植細胞數量的依據：目前使用轉基因NSC/NPC確定移植細胞數量通常依靠臨床前試驗，而且動物種類、疾病模型、損傷持續時間和程度以及給藥途徑等方面的差異，都會對移植細胞數量的選擇及最終結果產生影響。 

二、常見的轉基因NSC/NPC移植數量范圍及相關案例：通常，用于移植的轉基因NSC/NPC數量大多處于2.5×10?至2×10?個細胞之間。

• 比如在一項針對缺血性中風小鼠模型的特定研究中，設置了1×10?（低劑量組）和3×10?（高劑量組）個細胞的移植情況，結果顯示移植后7天和14天，接受過表達SDF-1α的誘導性多能干細胞衍生的神經前體細胞（iPSC/NPC）的小鼠運動活動顯著改善，不過低劑量組未觀察到顯著改善。 

鑒于上述情況，依據具體情形去探討并優化用于神經再生的移植細胞數量是十分重要的。

轉基因NSC/NPC的移植時機

一、確定移植時機的重要性：神經損傷包含一系列復雜的病理生理變化，所以確定神經干細胞（NSC）移植的最佳時機對于有效治療脊髓損傷（SCI）等中樞神經系統損傷極為關鍵。

二、不同神經損傷類型對應的常見移植時機 

• 腦創傷（TBI）：先前動物研究主要在損傷后立即，或在損傷后24或72小時進行轉基因NSC/NPC的移植。 
• 脊髓損傷（SCI）：細胞移植要么在損傷后立即開展，要么在損傷后每隔7或9天進行一次。 
• 缺血性中風模型：通常在缺血再灌注后立即、6小時或3天進行細胞移植。 
• 大腦中動脈閉塞（MCAO）：移植在閉塞后2小時、1天、2天和7天進行。 
• 腦出血：大多數研究選擇腦出血后3天和7天作為移植時間點。 
• 缺氧缺血性腦病模型：細胞在損傷后3天進行移植。 

三、移植時機的關鍵影響及總體要求

盡管目前沒有研究系統地評估基于移植時機的NSC/NPC的效果，但細胞移植時機是影響細胞植入以及后續功能改善的關鍵因素。因此，針對中樞神經系統損傷的NSC輸送時機應具備適應性，要根據不同損傷情況合理選擇。

基因工程神經干細胞用于治療創傷性腦損傷

創傷性腦損傷 (TBI) 是由外部機械力造成的一種毀滅性的神經系統疾病。它包括原發性損傷和繼發性損傷，是全球45歲以下人群死亡和發病的主要原因。原發性損傷通常是由于最初的物理沖擊（例如腦部受到撞擊、打擊或震動）導致腦區室立即受到機械破壞所致。

最近的研究表明，神經發生和突觸形成的增強、軸突重塑和血管生成的誘導可顯著改善實驗性創傷性腦損傷 (TBI) 中的腦功能恢復。更重要的是，據觀察，NSC可通過分泌神經營養因子、增加突觸蛋白的表達以及分化為功能性神經元來促進TBI中的功能恢復。

因此，神經干細胞移植正在成為一種有前途的TBI治療策略。令人鼓舞的是，通過針對性地修飾特定基因，轉基因神經干細胞在治療創傷性腦損傷 (TBI) 方面表現出比神經干細細胞更優的治療效果（表1）。

轉基因NSC具有分化成神經元和神經膠質細胞的能力。值得注意的是，基因改造已被證明能顯著提高NSC的存活率。此外，這些改造還能增加分化成神經元的NSC或NPC的比例。這種增強對于改善行為結果和促進TBI后運動功能的恢復至關重要。

基因修飾的神經干細胞用于脊髓損傷修復

SCI是對脊髓的一種毀滅性的神經和病理損傷，通常導致自主神經功能、感覺知覺和運動控制的暫時或永久性嚴重障礙。從病理生理學上講，SCI的特征是最初是原發性損傷階段，這會損害神經元和神經膠質細胞的完整性，隨后是繼發性損傷階段，在接下來的幾周內誘導進行性細胞凋亡和進一步的脊髓損傷。

盡管SCI的治療策略取得了進展，包括藥物干預、外科手術和康復努力，但這些方法只能有限地改善臨床結果，目前尚無治愈SCI的方法。令人欣慰的是，細胞療法代表了治療SCI的一種有前途的方法。此外，生物材料的植入可以改善微環境，連接脊髓殘端，并為軸突再生提供物理和方向支持。

目前，生物材料植入和細胞移植的組合療法通過提高細胞存活率、調節細胞分化、為神經回路重塑和軸突再生提供方向支持，顯著促進神經再生和功能恢復相比之下，基因改造的神經干細胞是治療脊髓損傷的更有效方法。通過改變特定的分子表達，這些改造的NSC已顯示出促進細胞存活和分化、促進軸突再生和髓鞘形成、減輕炎癥、抵消細胞凋亡和減少膠質瘢痕形成等方面的更強功效。

總的來說，通過移植基因修飾的NSC實現SCI后的神經功能恢復，主要歸因于它們對 NSC增殖和存活、神經元和少突膠質細胞分化、軸突再生、抗凋亡和減少星形膠質細胞瘢痕形成的促進作用，以及內源性NSC的激活（見表2）。

基因改造神經干細胞在腦缺血治療中的應用

卒中是全球第二大死亡原因，占全球死亡人數的5.2%。它也是導致殘疾和認知障礙的主要原因，在發展中國家的患病率日益增加。大多數卒中是由于腦血管暫時或永久性阻塞引起的。缺血性卒中可導致腦梗死、腦組織壞死和局部神經元損傷，最終導致長期殘疾甚至致命，從而每年在全球范圍內造成巨大的經濟負擔。

近年來，神經干細胞移植已成為缺血性卒中一種有前途的神經修復方法，不僅通過提供結構替代，而且還通過神經營養支持、免疫調節和血管修復等機制產生有益作用。

其中，基因工程化的神經干細胞通過特定因子的過度表達選擇性地修改其分泌蛋白組，從而在缺血性卒中的背景下發揮神經修復作用。這些影響通過增強移植細胞的存活和分化潛力、促進血管生成、減少梗塞體積、抑制細胞凋亡和減輕炎癥來表現（見表3）目前，NSC的基因改造已不僅限于上調特定的生長因子和通路，還包括非編碼RNA和整體SUMO化的參與，這些在缺血應激下維持細胞功能和體內平衡方面發揮著至關重要的作用。

本研究表明，移植轉基因神經干細胞可顯著減少缺血性中風的病灶體積，促進感覺運動功能恢復，改善認知功能障礙和行為缺陷，與非轉基因NSC相比，效果更為顯著。例如，移植過表達半乳糖凝集素-1 (Gal-1) 的NSC可減少梗塞體積，并減輕中風后至少28天內胼胝體和紋狀體的白質損傷。

此外，轉染Noggin的NSC已被證實可顯著減少缺血皮質和齒狀回的病理損傷，并改善神經系統評分。轉基因NSC具有預防缺血性中風的潛在神經保護作用。增強移植細胞的增殖和存活對于其有效發揮功能至關重要。

基因修飾神經干細胞治療出血性中風

中風是最嚴重的疾病之一，其特征是嚴重后果，包括死亡和長期殘疾。中風大致可分為出血性和非出血性兩大類。出血性中風約占所有中風病例的20%，可進一步分為腦內出血 (ICH)、腦室內出血 (IVH) 和蛛網膜下腔出血 (SAH) 。其中，ICH是出血性中風最常見的亞型，治療面臨巨大挑戰，影響全球數百萬人。流行病學研究表明，ICH與死亡率增加和嚴重殘疾有關。ICH的發生會引發一系列事件，導致原發性和繼發性腦損傷，最終導致持續性神經系統功能障礙。

最近的研究表明，干細胞移植已成為再生醫學領域治療出血性中風的寶貴工具。相比之下，經過基因改造的NSC比未經改造的NSC表現出更高的治療潛力。基于此，這些經過基因改造的NSC是治療出血性中風的極有希望的候選對象（表4）。

為了解決出血性中風后的不良微環境，移植NSC中神經營養因子（如BDNF、VEGF、GDNF和各種生長因子）以及存活信號分子的過度表達已被證明能有效改善惡劣環境，從而促進細胞存活和神經再生。例如，過表達Akt1的NSC在移植到紋狀體上皮時會廣泛遷移到海馬，這種基因改造顯著提高了ICH后移植細胞的存活率。

同樣，與未經基因改造的細胞相比，移植過表達GDNF的NSC可使移植后第二周至第五周的細胞存活率顯著提高。重要的是，大多數移植的轉基因NSC會響應局部微環境的刺激而分化為神經元或星形膠質細胞。

基因修飾的神經干細胞用于治療缺氧缺血性腦病

缺氧缺血性腦病 (HIE) 是一種因腦供氧不足而導致的腦損傷。新生兒期HIE的患病率明顯升高，15%-20%的患兒在新生兒早期死亡，而幸存者則有嚴重的神經功能障礙，包括腦癱 (CP)、認知障礙、癲癇、視覺和聽覺障礙、行為問題、智力障礙和社會功能障礙。

最近，基于NSC的療法已顯示出對HIE的良好治療效果，因其具有增強內源性腦修復機制的潛力而受到廣泛關注。越來越多的動物模型研究表明，移植NSC可抑制神經炎癥損傷，促進神經元重塑，并顯著增強缺氧缺血性損傷后的行為功能。值得注意的是，應用基因工程技術，可以有效改變特殊蛋白質分子或表觀遺傳調控因子的表達，從而增強這些治療效果。

結論與展望

一、NSC/NPC基因改造的積極作用

NSC/NPC的基因改造能夠有意增強其增殖與存活能力，有效調節細胞分化途徑以及分泌組，這有利于供體細胞和宿主細胞在氧化應激、炎癥等不利條件下存活，并且有助于在如TBI、SCI、中風等各類損傷后創建內源性神經再生微環境，整合基因與干細胞療法還有望克服單一治療方法的局限，為神經損傷治療和功能恢復帶來更大益處。 

二、將基因改造的神經干細胞療法轉化為臨床實踐面臨的挑戰

• 缺乏全面比較研究：在利用NSC/NPC進行轉化和移植前，尚未針對來自各種干細胞來源的神經干細胞前體細胞（NSPC）展開全面且詳細的比較研究。 
• 胚胎組織來源的局限：當前對NSC的研究多聚焦于胚胎神經組織來源，然而移植人類胚胎組織來源的細胞無法解決倫理和道德約束等關鍵挑戰。 
• 腫瘤發生風險：由于特定基因整合到基因組中可能致使增殖能力增強，所以對NSC進行基因改造存在潛在的腫瘤發生風險。 
• 缺乏全面指導方針：對于最佳移植時機、途徑、細胞給藥方法以及合適的細胞劑量，目前依舊缺少全面的研究以及統一的指導意見。 
• 臨床試驗不足：當下的研究主要側重于動物實驗，臨床試驗數量不夠，因而難以確定轉基因NSC在人體中能否產生與移植后動物模型體內所觀察到的相當的治療效果，該方法的安全性、有效性以及潛在副作用都有待進一步深入研究。 

三、對神經干細胞移植基因轉導治療的展望

盡管神經干細胞移植基因轉導治療存在諸多固有挑戰，但其獨特優勢和廣闊潛力已備受神經再生領域研究人員關注。

鑒于神經干細胞移植療法在臨床應用方面的研究進展迅速，人們對轉基因細胞療法能夠成功轉化為臨床實踐抱有樂觀態度，而且還可以依據損傷根本原因、損傷特征以及個體患者情況來制定專門的神經干細胞移植治療策略。

參考資料：[1]:Tang, X., Deng, P., Li, L. et al. Advances in genetically modified neural stem cell therapy for central nervous system injury and neurological diseases. Stem Cell Res Ther 15, 482 (2024). https://doi.org/10.1186/s13287-024-04089-1

免責說明：本文僅用于傳播科普知識，分享行業觀點，不構成任何臨床診斷建議！杭吉干細胞所發布的信息不能替代醫生或藥劑師的專業建議。如有版權等疑問，請隨時聯系我。