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  • 神经干细胞移植帕金森病:挑战、纳米技术的前景

    1970-01-01 08:00来源:人参果细胞网 作者:

    帕金森病(PD)以黑质纹状体多巴胺能神经元丧失为特征,是影响全世界老年人群的最主要的神经退行性疾病之一。干细胞治疗治疗神经退行性疾病的概念已经发展了多年,并且最近取得了快速进展。神经干细胞(NSC)具有一些关键特征,包括自我更新、增殖和多能性,这使它们成为一种有前途的神经退行性疾病治疗剂。然而人们普遍认为,基于神经干细胞移植的治疗在移植过程的每个阶段都存在挑战,包括术前细胞准备和质量控制、围手术期程序以及术后移植物保存、依从性和整体治疗成功。

    因此,本综述重点关注神经干细胞移植在治疗帕金森病中的潜力。我们概述了它们在实验研究和临床试验中的应用,并讨论了与其应用相关的挑战,以及神经干细胞移植治疗帕金森病的优缺点。鉴于干细胞疗法、基因疗法和纳米技术的最先进成就,我们阐明了通过开发纳米干细胞疗法以及使用基因工程NSC来补充每个过程的优势的观点。

    什么是帕金森病,帕金森病的病理特征

    帕金森病(PD)的全球患病率超过600万,是第二常见的神经退行性运动障碍。目前,尚无缓解疾病的疗法,预计PD的发生率在下一代人中将增加一倍。PD是一种与年龄相关的疾病,影响85岁以上人口的约5%。

    PD的主要病理特征是存在称为路易体的神经包涵体形式的异常α-突触核蛋白(ASN),其毒性作用被认为会导致进行性变性和细胞损失。黑质致密部的多巴胺能(DAergic)神经元特异性地发生变性,导致黑质纹状体系统中的多巴胺(DA)和其他几种生化缺陷,从而导致运动症状的发展,包括运动迟缓、静止性震颤、肌肉僵硬和姿势不稳定。此外,其他类型神经元的丧失以及中枢、肠和自主神经系统许多部分中路易病理的存在已被证明可能导致非运动表现,例如自主神经功能障碍、嗅觉障碍和情绪,PD患者存在认知或睡眠障碍。

    成人大脑中的神经干细胞和神经干细胞的替代来源

    神经干细胞是中枢神经系统(CNS)的重要组成部分。在人的胚胎大脑和成年神经系统中都存在神经干细胞,并存在于两个特定的脑区(图1A)。齿状回的粒下区和室下区的侧壁都含有大量的成体内源性NSCs。这些细胞具有自我更新、增殖和多潜能等几个关键特征,是中枢神经系统的主要组成部分,维持着神经组织的细胞池。NSCs可分化为神经元、星形胶质细胞或少突胶质细胞,可替代帕金森病中丧失的DAergic神经元。此外,NSCs还能促进内源性修复机制,因为它们能迁移到损伤部位附近,增加神经母细胞,促进组织修复。NSCs具有免疫调节作用,如分泌细胞因子、趋化因子和趋化因子受体,抑制T细胞增殖等(图1B)。神经递质、神经肽、细胞因子、代谢产物、细胞外基质蛋白和辅助细胞控制NSCs的增殖。

    图1:成人大脑中神经干细胞的出现和神经干细胞的替代来源A:神经干细胞(NSC)的来源是胚胎干细胞和诱导多能干细胞、成人/胎儿脑组织和脊髓组织。此外,NSC可以通过转录因子和生长因子从体细胞获得。NSCs的替代来源是胎儿和成人的神经系统、脐带血、骨髓、外周血、羊水、沃顿胶;B:NSCs可以具有细胞因子、趋化因子和趋化因子受体分泌以及T细胞增殖抑制等免疫调节作用。NSCs可具有神经营养作用,例如神经生长因子、神经营养蛋白-3、脑源性神经营养因子和神经胶质细胞源性神经营养因子。NSC可以通过以下途径靶向分泌组和旁分泌效应细胞外囊泡,如外泌体。此外,NSC在神经分化中也发挥着作用。C:神经干细胞移植后,可以在特定的大脑部位迁移、存活和增殖。NSCs在抗凋亡、抗炎、抗氧化等脑修复机制中发挥作用。

    CNS:中枢神经系统;BDNF:脑源性神经营养因子;ESC:胚胎干细胞;EV:细胞外囊泡;GDNF:胶质细胞源性神经营养因子;iPSC:诱导多能干细胞;NGF:神经生长因子;NT-3:神经营养素-3;NSC:神经干细胞;TF:转录因子;PD:帕金森病;TGF:转化生长因子。

    NSCs的其他来源包括胎儿和成人神经系统组织、脐带血、骨髓、外周血、羊水、沃顿果冻、皮肤或脂肪来源的间充质干细胞或iPSCs(图1A)。在移植过程中,这些干细胞要么在体外预分化,要么根据损伤组织中的信号将招募干细胞并诱导其原位分化的概念,在未分化状态下直接应用NSCs。

    最近,转分化(尤其是化学诱导转分化),通过跳过中间增殖多能干细胞阶段,将体细胞重编程为患者特异性神经元细胞,为帕金森病的替代自体细胞治疗策略提供了前景。通过生产所需类型的中枢神经系统细胞,这些来源都已被用来证明其治疗各种神经退行性疾病的潜力。

    神经干细胞移植的实验方法

    多项临床前研究表明,不同类型的人类神经干细胞移植后,可以在特定的大脑部位迁移、存活和增殖。免疫组织化学检查支持的证据表明,移植的人类神经干细胞可以转化为功能性神经元并整合到神经回路中。体内研究已证明神经干细胞移植是治疗帕金森病的有效方法(表格1)。

    在帕金森病中使用神经干细胞的优点和缺点

    注射的神经祖细胞(NPC)在大脑中积聚并与受伤区域融合;然而,只有一小部分细胞的大部分仍处于未分化状态。组织存活的促进与mRNA和蛋白质水平的抗炎和抗凋亡作用以及生长因子分泌的增加有关(图1C)。此外,NPC与附近的中枢神经系统免疫细胞和驻留细胞合作,调节干细胞调节剂的局部释放,并帮助中枢神经系统损伤的功能恢复。因此,神经干细胞为受影响的神经元群体和突触提供神经营养支持是治疗PD等神经退行性疾病的一种有前景的方法。

    然而安全性,包括潜在的致瘤作用,引起了人们的担忧。此外,大脑中移植细胞的免疫排斥的复杂问题已被证明。因此,开发干细胞衍生的神经元移植疗法治疗帕金森病需要考虑安全性和有效性,这可以通过解决细胞类型和来源、其可重复生成、准确的移植区域和应考虑维持这些移植细胞的功能和活力。

    考虑到移植安全、方案标准化和伦理方面,正在开发使用ESC和IPSC来制造DAergic神经元的方法。

    ESC是源自哺乳动物囊胚的未分化多能细胞,可以产生体内所有类型的细胞。此外,iPSC是实验室生成的ESC的对应物,由成体体细胞生成,具有相似的特性,并且可以分化成任何其他细胞。ESC和iPSC用于全球范围内正在进行的许多临床试验,并在针对特定疾病和病症的再生医学中具有广泛的应用。然而,由于完成临床试验和发布所获得的数据需要漫长而复杂的时间框架,这些试验的结果并未到达普通人群。

    iPSC具有一些优势,例如直接从患者体内获得重编程细胞,从而有可能降低传染性感染和免疫反应的风险。此外,它们可以转变为任何类型的细胞方法来治疗帕金森病。使用iPSC治疗PD在伦理上是允许的,因为患者的体细胞可以分化为多能状态,以产生植入大脑的DAergic神经元。多项研究阐明了iPSC在再生DAergic神经元以治疗PD方面的潜在作用。iPSC移植可改善PD症状。

    尽管这些可扩展和可追溯的来源以及完善的方案和临床前PD模型的功效使ESC和iPSC成为基于细胞的治疗的有希望的候选者(表2),肿瘤发展和免疫抑制的风险尚未消除。

    表2:替代干细胞来源在帕金森病模型中治疗作用的实验研究

    6-OHDA:6-羟基多巴胺;DA:多巴胺;DAergic:多巴胺能;DAT:多巴胺转运蛋白;DCx:双皮质;GIRK2:G蛋白激活的内向整流钾通道2;hMSC:人类成体MSC;hiPSC:人类iPSC;hPESC:人类孤雌胚胎干细胞;hNCAM:人类特异性神经细胞粘附分子;PCNA:增殖细胞核抗原;MPTP:1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶;NPC:神经祖细胞;Ki67:增殖细胞核抗原,SDF-1α:基质细胞衍生因子1α;SNpc:黑质致密部;TH:酪氨酸羟化酶。

    尽管做出了这些巨大的努力,实验性治疗方法与转化为临床实践之间仍然存在差距。尽管多项临床试验(表3)已使用基于细胞的PD治疗方法进行了研究(临床试验.gov;NCT03119636、NCT05635409、NCT02452723、NCT03815071、UMIN000033564、NCT03128450、NCT03309514、NCT01898390、NCT02795052、NCT00976430、NCT03724136、NCT03684122)目前,限制干细胞临床应用的主要障碍主要是伦理问题、免疫反应、肿瘤发生和毒性。

    延伸阅读:如何找到适合您病情的干细胞临床试验?

    表3:帕金森病细胞疗法的临床试验

    神经干细胞移植治疗的前景

    从上面的简短回顾来看,基于NSC的治疗出现了一些挑战,这些挑战可以在神经外科手术的每个阶段识别,包括术前细胞准备和质量控制、围手术期程序以及术后移植物保存、依从性和整体成功率。

    治疗术前阶段必须对相关细胞进行严格的质量控制和安全评估。此外,细胞剂量、病例选择和递送途径也是细胞疗法临床应用的前提条件。接受NSC产品治疗的患者面临与给药方法、药物免疫和过敏反应、肿瘤发展、功能破坏的异位神经元分化以及病毒和微生物污染相关的安全问题的风险。因此,基于细胞的疗法的根本问题是,在进入临床之前,必须根据体外和体内良好生产规范法规对可移植细胞群进行分化和表征。总之,细胞来源是神经干细胞移植治疗帕金森病时必须考虑的一个重要问题,因为治疗疾病需要高浓度的NSCs。

    为了促进NSC的行为,开发了培养表面的制造。在这种情况下,纳米材料以其纳米尺寸、独特的物理化学性质和表面功能化的能力,为设计操纵细胞行为提供了潜力。使用基于生物相容性纳米材料的支架制造细胞外基质,并具有模拟体内微环境的拓扑结构似乎是一种有前途的策略。如(图2)。

    图2:纳米材料在帕金森病干细胞治疗中的应用。术前准备:纳米材料具有小尺寸、独特的理化性质和表面功能化能力,为设计操纵细胞行为提供了潜力。一种有前途的策略是用生物相容性纳米材料支架制造细胞外基质,并具有模拟微环境的拓扑结构。术前阶段:能够抑制氧化应激、神经炎症和有毒蛋白质聚集的纳米材料可以作为生物活性纳米药物,解决帕金森病细胞疗法的局限性。此外,“智能”纳米药物输送系统通过靶向配体并控制释放生长因子等负载分子来实现功能,旨在支持和扩展干细胞以进行脑修复。在术后阶段:纳米材料,凭借其独特的光学特性、细胞摄取、表面功能化和良好的生物相容性,它们是细胞跟踪和成像的有希望的候选者。

    近年来,研究人员为了解决基于细胞的帕金森病疗法的局限性。将纳米疗法与干细胞疗法相结合的策略显示出治疗帕金森病的潜力。因此,在三甲基诱导的大鼠神经退行性病变模型中,从人类嗅球分离出的干细胞与碳纳米管(CNTs)共同接触,恢复了认知障碍和神经退行性病变。此外,碳纳米管通过刺激分化为神经元而非神经胶质细胞,为移植的神经干细胞提供支持。在术后阶段,监测注射/移植的细胞对于优化神经外科手术至关重要。纳米材料具有独特的光学特性、细胞吸收、表面功能化和良好的生物相容性,是细胞追踪和成像的理想候选材料(图2)。

    干细胞和基因疗法的发展进步创造了新的机遇。干细胞和基因疗法的结合可能是一项技术突破,可以提高干细胞的治疗效果。工程细胞过表达参与DA合成或神经营养因子的基因可能会增加其功能并解决分化和生存问题,从而提高基因治疗的功效。考虑到细胞疗法的安全性,可以对细胞进行重新编程,以避免尽可能多的副作用,包括免疫反应和肿瘤。

    纳米联合干细胞治疗面临的挑战

    纳米干细胞疗法可能面临许多挑战,主要与纳米粒子的安全性有关,包括潜在的细胞毒性以及对干细胞分化和生物降解性的未知影响。要了解细胞与纳米材料的相互作用机制、NPs的生物转化及其对细胞功能的影响,还有很大的研究空间,因此控制纳米细胞疗法的安全性和有效性具有挑战性。由于NPs的活性在很大程度上取决于其尺寸、结构、形状和表面化学性质,而且与细胞类型有关,因此应解决与组织工程中三维纳米结构的合成、生物功能化、表征和定制方法有关的几个问题。

    鉴于纳米技术的挑战和最先进的成就,它有望促进帕金森病纳米干细胞疗法的发展。最近合并的多功能纳米诊断方法为干细胞有效治疗脑癌提供了支持。

    结论

    PD严重影响社会,因为它带来了日益沉重的社会经济负担,而目前尚无治疗方法。本综述中讨论的研究显示了基于NSC的PD治疗潜力(图1C)。尽管神经干细胞在治疗这种神经退行性疾病方面展现出巨大的前景,但它们也引起了人们的严重担忧。它们可能会形成肿瘤,这是一种比帕金森病更具破坏性的疾病。此外,免疫排斥、伦理问题、有限的细胞来源以及与成熟为所需神经元细胞类型和适当分化的技能相关的并发症是进一步研究促进神经干细胞移植治疗帕金森病的重要原因。

    目前,将包括基因工程细胞在内的干细胞疗法与纳米技术方法相结合,优势互补,为改善治疗方案和疗效提供了新的见解。纳米干细胞疗法治疗神经退行性疾病的安全性和有效性是研究热点。人们相信,未来新型纳米材料的进步必将使神经干细胞移植的疗法受益于该技术。

    总之,尽管仍然存在各种障碍和挑战,未来运用纳米技术结合干细胞疗法治疗帕金森病。显然,其从实验室实验阶段到临床应用阶段的不断完善和发展是必要的。

    参考资料:OzT,KaushikA,KujawskaM.NeuralstemcellsforParkinson’sdiseasemanagement:Challenges,nanobasedsupport,andprospects.WorldJStemCells.2023Jul26;15(7):687-700.doi:10.4252/wjsc.v15.i7.687.PMID:37545757;PMCID:PMC10401423.

    标签:帕金森病·神经干细胞移植

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