基因转染神经干细胞移植治疗帕金森病研究进展

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作者：李小元    综述        陈先文    审校作者单位：安徽医科大学第一附属医院神经内科，  安徽  合肥  230022
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. g" v; S8 L7 }: f1 U          【摘要】  帕金森病 （PD） 是一种常见的中枢神经系统的变性疾病。目前，药物治疗和外科治疗仅限于控制症状，不能延缓、阻止PD病人黑质区病变的发展，而神经干细胞移植联合基因治疗可能成为最佳治疗方案之一。TH基因、Nurr1基因、VHL基因、GDNF基因等修饰神经干细胞移植治疗PD是当前PD基因治疗研究的热点。本文对近年基因修饰神经干细胞治疗PD的研究进展进行综述。
3 k2 A" e9 ^7 d/ ~/ P/ i' y          【关键词】神经干细胞；  基因治疗；  帕金森病
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1帕金森病的治疗现状和发展趋势
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- ?# D6 j9 e  h# k: n  O帕金森病 （Parkinson disease，PD） 是一种好发于中、老年人中枢神经系统的变性疾病，其主要病理变化是中脑黑质多巴胺 （DA） 能神经元的变性、缺失。目前PD的治疗主要有药物治疗、外科治疗、细胞移植及基因治疗。传统的药物治疗只能暂时减轻或缓解症状，不能阻止PD的进程，且长期应用治疗PD的药物会出现各种并发症。外科治疗手术创伤大、使用对象局限，且远期效果不确切，费用高，也不是一种理想的治疗手段。PD主要是黑质DA神经元变性、缺失导致纹状体内DA水平下降，因此在黑质纹状体系统内移植能够分泌DA的细胞，恢复DA的神经环路，成为一种针对“病因”的理想治疗方法。从上个世纪70年代末开始，人们尝试移植各种非神经元细胞及干细胞治疗PD，并取得了一定疗效，但移植后细胞存活周期短、供体来源困难及伦理等问题极大地限制了临床应用。随着来源于胚胎和成体神经干细胞的成功分离、纯化、培养、传代、建立细胞系及体外定向诱导分化等技术的成熟，神经细胞移植治疗PD等神经变性疾病成为可能。多基因联合应用将是未来PD基因治疗研究的发展方向，而基因修饰神经干细胞治疗PD是较有发展前景的方法之一，尤其是一些新的基因，如Nurr1、VHL及多种神经营养因子基因等的发现和应用，为PD治疗提供了新的思路和方法。若PD致病基因能够分离成功，并联合神经干细胞进行治疗，将更具有发展前景和应用价值。  n0 i+ T8 ?! D
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2神经干细胞的生物学特性及其在神经变性疾病中的应用
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神经干细胞 （Neural stem cells，NSC） 的主要生物学特性是[1]：未分化，缺乏分化标志，能自我更新，具有能分化成神经元、少突胶质细胞和星形胶质细胞的多种分化潜能。NSC广泛分布于哺乳动物脑室周围、海马、纹状体和脊髓。各种神经生长因子对NSC的增殖和分化起重要作用，尤其是对NSC的诱导分化。NSC的另一重要特性是能在中枢神经系统内迁移且具有一定倾向，即沿着神经投射或脑内细胞增生活跃区域迁移、弥散、并整合于宿主脑结构中，使其比传统基因治疗中的病毒和非神经细胞载体 （如成纤维细胞） 更具有优点。传统的基因治疗以病毒为载体，在临床实验性治疗中虽简单易行，但转化率仅万分之一，且整合率差，危险性高，难以控制，而NSC作为载体克服了病毒载体的不足，还可用于药物和遗传介入。NSC的上述特性，也决定了其作为中枢神经系统细胞移植的理想模型，为移植提供一个很好的细胞来源，且非胚胎NSC不受伦理问题的约束。此外，NSC具有低免疫源性，体外培养的永生化NSC系可成为体外基因治疗的载体细胞，发挥越来越大的作用。PD是NSC移植的适应证，其发病机制比较清楚，治疗目的是恢复DA递质水平，发病部位中脑及纹状体解剖定位明确，已建立了啮齿类及灵长类PD动物模型且胎儿脑移植治疗PD已取得一定的临床经验，均为干细胞移植及基因治疗PD奠定了坚实的基础[2]。虽然NSC治疗PD的研究取得了一些进展，但仍无法完全治愈PD。进一步提高体外培养的NSC分化为DA能神经元的比率与促进移植NSC在体内分化为DA能神经元并能长时间分泌DA，将是今后要解决的关键问题。另外，外源性NSC的多种内在环境效应与PD宿主病理学环境存在复杂的相互作用，而这些相互作用的研究是PD动物模型能够进一步改善的基础[3]。因此，对NSC的基础研究及在PD模型中与宿主环境的复杂联系是今后需要进一步研究的内容。: u# R5 G' {5 _. f4 {9 I* l
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3基因转染NSC移植治疗PD, d+ }+ u" j7 m  v" \0 p

2 W* X# s& a% v9 O7 g4 E3.1氨酸羟化酶基因的作用原理及其在PD治疗中的作用氨酸羟化酶 （Tyrosine hydroxylase，TH） 是DA合成的限速酶，是PD基因治疗最早选择的目的基因。可通过NSC、成纤维细胞、腺病毒、单纯疱疹病毒 （HSV） 等载体将TH基因移植到纹状体，通过增强脑内DA的合成及外源性补充DA神经元，对黑质及其周围微环境进行重建，改善动物模型的行为学异常。早期研究多利用成纤维细胞、肌细胞、病毒等作为基因治疗的载体，近年的研究发现编码DA合成路径相关酶基因的联合移植可能比单纯TH基因移植更能促进DA的合成和分泌，如芳香族氨基酸脱羧酶 （ADCC）、GTP-环氢酶1 （GCH1） 与TH通过成纤维细胞、腺相关病毒 （AAV） 等载体二联或三联移植到动物模型能明显提高左旋多巴的含量，延长动物行为改善时间[4-5]，但移植细胞不能长期存活、迁移并稳定表达TH基因。利用NSC作为多基因联合移植的载体治疗PD可能具有更好的效果。Ryu等[6]将TH联合GTPCH-1基因修饰的C17·2系NSC移植到PD鼠模型纹状体中，发现NSC能够很好地存活、迁移和分化，并能明显地改善动物行为。Kim等[7]采用TH联合GTPCH-1基因修饰的永生化系mNSC （HB1.F3） 移植治疗PD，能改善动物行为，并在移植区有大量的TH阳性细胞 （TH-positive F3.TH.GTPCH NSC） 表达，表明NSC是基因治疗PD的有效理想载体。以TH为主的多基因联合修饰NSC移植是一种有效治疗PD的新方法，但有许多问题尚未解决，如移植的安全性、如何使移植细胞更加高效、持久地发挥作用等，将是未来研究的重要目标。; i% P1 N; v1 J+ s4 D4 }

: j! W" j$ l5 @3.2孤儿核受体基因作用原理及修饰NSC移植治疗PD的研究进展孤儿核受体 （nuclear related regulator-1，Nurr1） 是目前尚未鉴定出配体的类固醇激素-甲状腺激素类寡核受体超家族的一员，也是一种转录因子类基因。近年研究表明：Nurr1主要分布在脑内DA能神经元分布区，包括中脑和嗅球 （OB），而且具有时-空分布的特点，说明Nurr1基因在中脑和OB DA能神经元表型分化、维持和 （或） 调节中发挥重要作用。Nurr1基因缺陷或表达下降均将增加DA神经元损伤的易感性[8]。因此，将Nurr1基因转染到干细胞可能会增加其向DA分化的比率。研究发现Nurr1基因可促进NSC系如C17·2分化为DA神经元，减少其分化为胶质细胞的比率。Nurr1基因修饰后的胚胎干细胞分化为DA神经元的比率可从15%增至50%[9]，这些神经元能表达中脑特异性的标志物，包括TH、Ret、Pitx3及Enl；而且将这些神经元移植到6-羟基多巴胺大鼠模型脑内可产生功能性整合，并出现行为学改善。因而Nurr1基因的移植可通过增加外源性DA神经元的数量对PD起治疗作用。Li等[10]通过腺病毒载体将Nurr1转染于NSC后，移植到6-羟基多巴胺大鼠模型脑内，发现其比单纯NSC移植治疗PD的病理学和行为学改善更明显。Kim等[11]将Nurr1基因单独转染大鼠各个胚胎发育期 （E12、14、16）、各脑区 （中脑、大脑皮质、外侧神经节突起） 后，NSC就能表达DA能表型标志物，如TH、AADC、多巴胺转运体 （DAT）、囊泡单胺转运体-2 （VMAT-2），且去极化后能释放DA，所以认为：单纯Nurr1基因过度表达就可诱导DA能表型分化，不需要辅助因子的作用。但Andersson等[12]报道单独转染Nurr1基因过度表达能够产生足量的TH阳性神经元，但此神经元形态不成熟，并且不表达其他任何中脑DA神经元的标志物，而Nurr1基因与Ngn2基因 （属bHLH家族基因） 联合转染共表达能产生形态成熟的TH阳性神经元并能表达其他中脑神经元标志物。神经发生和TH阳性表达可能通过Nurr1基因和bHLH家族基因 （最重要的是Ngn1、Ngn2和MASH1） 等其他因子共同控制，使NSC或神经前体细胞能够产生大量有功能的DA神经元[13]。尽管可能还需要体内其他因素参与才能达到理想的治疗效果，上述研究仍提示：基因治疗，特别是诱导DA能神经元分化的调控基因转染干细胞移植，将是一个PD治疗的新方向，而Nurr1基因可能是极有前途的候选基因。
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- c' s% z; m% w1 L7 O# Z! c3.3胶质源性神经营养因子基因的作用及其在PD治疗中的作用减少黑质DA神经元的丢失和凋亡，采用神经营养因子基因移植等方法进行神经保护是目前PD基因治疗中的研究热点之一。大量的实验表明，神经营养因子不仅对DA神经元具有保护作用，而且对DA神经元所处的微环境也有一定的重建修复功能，这是其他移植治疗所没有的。其中胶质源性神经营养因子 （GDNF） 最受关注，GDNF属于转化生长因子β （TGF-β） 家族，是目前发现针对DA神经元的一种最有效和特异性的神经营养因子，同一家族的成员还包括Neurturin （NTN）、Persephin （PSP）、Artemin （ART） 等。大量研究表明：GDNF基因移植既能促进DA神经元的存活，同时对微环境也有改善作用[14-16]。Liu等[17]发现将表达NTN的C17.2-NSC植入PD模型鼠纹状体，移植细胞能够存活、分化，保护DA神经元，抵制6-羟基多巴胺对DA神经元的毒性作用并能改善动物旋转行为，其保护效果可持续至少4个月以上。但也有研究发现GDNF在保护受损DA神经元的同时，对于正常DA的合成具有一定拮抗作用。采用这种方式可能无法有效增加黑质TH阳性神经元的数量，将影响功能的恢复程度[18]。同时有研究报道中脑黑质可能是GDNF基因移植的禁区，Kordower等[14]将慢病毒 （LV） 介导的GDNF移植到黑质后，发现在上调黑质A9神经元的同时，邻近的中脑腹侧被盖区 （VTA） A10 DA神经元的功能也出现上调，而A10神经元恰好可以投射到伏隔核和额前叶，这将直接导致脑内另一条主要的长距离DA能投射系统——中脑边缘系统出现功能亢进，可能引起精神分裂症。因此，以GDNF为代表的神经营养因子基因移植治疗PD，可能较其他目的基因的移植，需要更充分地考虑联合策略的得失和选择靶点的准确性。
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3.4VHL基因的作用原理及在PD治疗中应用" e, t+ p0 }7 f( p4 a

4 T- [& K% ~1 v  Q& p- IVon Hippel-Lindau （VHL） 基因具有调节转录、稳定细胞生长相关基因和调节细胞周期的功能。Yamada等[19]将VHL基因导入大鼠胚胎NSC后发现，带有VHL基因的NSC在体外能够有效地分化为TH阳性细胞。将导入VHL基因的NSC用Brdu标记后植入PD大鼠的纹状体内，可以在移植部位见到大量Brdu和TH双标阳性细胞，提示移植细胞在宿主纹状体能够有效地产生新的DA能神经元，而且对PD实验动物模型的旋转行为有显著的改善作用。这些发现表明：NSC联合VHL基因移植能产生足够的DA能神经元并可逆转PD症状，VHL基因转导为PD治疗提供了一个新的方法。# k4 v! j+ j/ e+ y9 D$ v

6 L+ n+ F( O. n7 y* \3.5白细胞介素-10基因和MT作用及在PD治疗中的应用白细胞介素-10 (interleukin-10，IL-10） 及褪黑素 （melatonin，MT） 均具有重要的免疫系统调节作用。IL-10主要由Th2细胞产生，是一种单链糖蛋白，参与抑制细胞合成炎性因子、集落刺激因子 （CSF） 等主要负反馈调节机制，能广谱抑制单核-巨噬细胞炎性介质IL-1、IL-6、IL-8、TNFα的合成及表达。对免疫反应，可抑制Th1细胞产生细胞因子IL-2、IL-3、IFNg、TNFb、GM-CSF等，其机制可能是通过与受体结合改变细胞内信号的传导途径而选择性抑制有关细胞因子mRNA的合成。最近Wang等[20]将IL-10基因转染于C17.2-NSC移植治疗PD大鼠模型，发现大脑内细胞 （ED1和CD8） 和体液 （C3 和IgM） 免疫反应下调，尤其是移植后2个月使ED1介导的细胞免疫反应下降更明显。MT是松果体合成和分泌的一种甲氧吲哚，可以通过调节淋巴细胞分泌的细胞因子而作用于免疫系统，调节免疫应答，同时也具有神经保护、抗氧化和抗肿瘤作用，MT有多种信号靶受体，而其中有两个重要的配对G-蛋白受体 [MT （1）和MT（2）] 存在黑质纹状体通路中，Sharma等[21]应用MT联合C17.2-NSC移植治疗PD模型，发现其对PD模型损害侧黑质纹状体的TH免疫反应有明显保护作用。目前，免疫调节蛋白或神经保护因子联合NSC用于细胞移植后免疫应答的调节也是PD细胞移植治疗研究的热点。
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4存在的问题与展望
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5 j" Y2 L+ m+ \+ F0 N由于可供选择移植的目的基因越来越多，不同目的基因联合移植治疗PD成为了目前的一种方向。但这些研究在适用性、技术、神经生物学等方面均存在一些问题。6 C  y4 _) {8 ~" m: l! F8 h

  r8 F$ s0 |  {+ |9 F  H" D" O4.1适用性问题首先，PD是一种老年慢性病，其病程可达10~20 年，该病本身并不会对生命构成直接威胁，且主要症状在疾病早、中期可用药物控制。从医学伦理角度看，在进行基因修饰NSC治疗时必须考虑风险/收益比例，除非技术十分成熟，PD基因联合NSC的治疗是不容易进入临床实验的，而对这样一种全新的治疗手段来说，临床实验的经验对技术的发展成熟是十分必要的。在这一点上， PD同某些恶性疾病如肿瘤、艾滋病有显著不同。其次，PD的致病基因分离迄今仍未成功，在进行基因治疗时只能根据发病机制中的某些外围因素确定目的基因，因而不可能进行真正意义上的对因治疗，其治疗效果必然会受到一定影响。因此，PD基因治疗的适用性只是相对的。* {4 u# _* L( S3 F6 Z' E3 h9 I
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4.2技术问题基因转染NSC治疗是PD基因治疗体外途径中具有应用前景的方法之一，它是将NSC在体外先进行基因修饰，使其表达某些具有治疗作用的生物活性物质如神经递质、神经营养因子，然后再将经过基因修饰过的细胞移植到体内。但总体而言，目前的PD基因治疗技术还不够成熟，主要表现在：①基因表达不够持久；②基因表达量不足以完全逆转动物的行为缺陷；③对宿主细胞可能有一定毒性作用或可诱发免疫反应，甚至有诱发癌变的可能；④体外途径的基因修饰神经干细胞治疗PD后，移植细胞在脑内难以长期存活。
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2 {/ r+ x  D2 n  ^4.3神经生物学问题目前PD基因治疗的目的基因主要是一些与DA合成有关的酶基因，因为DA不足是PD最主要的病理生化改变，尽管近年也发现某些神经营养因子的基因转移可阻止神经毒素或神经纤维离断造成的DA神经元变性，但这仍非真正意义上的病因治疗，因为PD DA神经元变性并非是这些神经营养因子缺乏造成的。PD的病理改变虽然主要位于黑质-纹状体DA系统，但这种局限性只是相对的，PD病人晚期出现的一些症状如精神智能损害、步态异常就可能涉及非DA递质系统，DA替代治疗往往无效。因此目前的PD基因治疗虽然能够解决PD的主要矛盾，它并不能解决所有问题。尽管PD致病基因分离尚未成功，但随着分子生物学、基因工程技术的发展和对NSC及PD治疗的研究深入，抓住其发病规律，充分利用不同基因的协同效应、互补效应，我们相信：基因修饰NSC能有效地提高基因治疗PD的效果，并为治愈PD发挥更重要的作用，进一步促进临床应用的发展，从而更有效地解除PD病人的痛苦。6 D; ^9 s5 Z  a/ ~+ K
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