星形胶质细胞转分化为神经元的研究进展

康文博，张赛，梁海乾

星形胶质细胞转分化为神经元的研究进展

康文博，张赛，梁海乾△

近年来，转分化技术在干细胞和再生学领域迅速发展，具有较大的研究价值。研究发现，随着转分化诱导条件的成熟，可以改变其他细胞的谱系来获得神经元。并且，星形胶质细胞（As）广泛分布于中枢神经系统的灰质和白质中，其过度增生会形成胶质纤维瘢痕，是阻碍神经功能恢复的关键。因此，As转分化为神经元成为目前研究的热点。As的转分化既可以阻止胶质瘢痕的形成，又能获得新的神经元。本文就As的功能及其转分化为神经元的相关研究进行综述。

细胞转分化；神经元；星形胶质细胞

在中枢神经系统中，神经干细胞可以分化为神经元和胶质细胞，胶质细胞又包括星形胶质细胞（As）、少突胶质细胞、脉络丛细胞和小胶质细胞［1］。其中As含量达80%～90%，广泛分布于中枢神经系统的灰质和白质中，对神经元的作用具有双面性［2］。在神经组织损伤后，一方面，As增生会局限损伤区域，防止微生物或毒素扩散；另一方面，As过度增生会形成胶质纤维瘢痕，阻碍神经功能的重建和恢复。随着转分化技术的发展和成熟，研究人员发现可以通过改变As的谱系，使其转分化为所需要的神经元。因此，As转分化为神经元的技术既解决了胶质瘢痕问题又解决了神经发生的问题。近年来，As转分化为神经元的相关研究不断深入，转分化诱导条件不断成熟且诱导方式逐渐多样性，这为神经损伤和神经系统退行性病变的患者带来了曙光。

1 As的生理病理状态

1.1 As的功能 最早认为As的功能是支持、隔离与绝缘的作用：As广泛存在于中枢神经系统，构成神经组织的支架；As与脑毛细血管共同培养，会诱导出血脑屏障的许多特性，参与血脑屏障的形成；As及其突起有益于胶质分隔，维持了血管、神经元胞体、轴突和突触结构的稳定，并将神经纤维和末梢隔离，起到绝缘作用［3］。随着对As的不断了解，发现其对神经元还有很多作用。一方面，增生的As可以促进神经发生，引导神经元迁移。研究发现，海马区的神经干细胞在与来自新生大鼠的海马区As共同培养时，神经发生率增加了8倍［4］。还有研究发现As表达的白细胞介素（IL）-6、IL-1β可诱导神经干细胞的神经发生［5］。在中枢神经系统发育过程中，As的前体细胞即放射性胶质细胞可以指引有丝分裂后期的神经元由大脑中侧脑室壁脑室下区（sub ventricular zone，SVZ）迁移至靶位置［6］。另一方面，As可以分泌成纤维生长因子（fibroblast growth factors，FGF）、脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）和谷胱甘肽来促进神经元轴突和树突的形成［7-8］，进一步形成功能性神经元。

As也是神经元的能量转继站。葡萄糖需要在As中酵解加工产生乳酸，以乳酸盐的形式为神经元提供能量。神经元兴奋时，可释放兴奋递质谷氨酸，谷氨酸与Na+通过As膜受体进入细胞，同时Na+的升高激活Na+-K+-ATP酶，并在葡萄糖转运蛋白的协助下吸收葡萄糖并进行酵解，释放乳酸盐［9］。

1.2 As过度增生形成瘢痕 当神经组织损伤或神经系统发生退行性变时，As受刺激活化成为反应性星形胶质细胞，形态表现为增生、肥大、突起增粗、分支增多，功能反应性增强，结蛋白、肌球蛋白表达增强［10］。并且，特异性反应蛋白如胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein，GFAP）和硫酸软骨蛋白多糖（chondroitin sulphate proteoglycans，CSPG）生成也会增多。当损伤和病变组织引起的反应超过了一定的程度或者长期慢性刺激就会引起As的过度增生而形成胶质瘢痕［11］。胶质瘢痕主要由As、CSPG、小胶质细胞、少突胶质前体细胞（NG2）和一些胞外基质等成分组成。一方面，胶质瘢痕封闭病变组织，防止微生物感染和细胞损伤蔓延，维持细胞内外离子平衡，阻止免疫反应和细胞因子的过度表达，同时清除自由基。另一方面，胶质瘢痕产生CSPG生长抑制因子，可阻止轴突生成和神经发生［12］；基底膜成分形成一种物理屏障，阻碍再生轴突跨越病变区域；同时小胶质细胞发生形态学改变，释放促炎因子，导致过度免疫反应，损伤轴突；基质细胞占居病变中心，随即合成结缔组织因子，导致纤维化［13］。胶质瘢痕的形成最终影响神经发生，阻碍轴突再生，导致神经功能不能恢复。

2 不同谱系细胞转分化为神经元

转分化是指在一定条件下，一种细胞改变其谱系，表现出另一种细胞表型的现象。近年研究发现，许多成体细胞可以通过改变其表型而转分化为其他谱系的细胞。根据转分化方式的不同，可以将转分化分为间接转分化和直接转分化2种形式［14］。

最早研究是先将其他细胞转分化或去分化为神经干细胞，然后再进一步诱导新生神经干细胞为神经元。例如，人肝分离出的造血干细胞，在培养As的条件培养基中培养可获得神经干细胞，进一步被诱导可得到神经元［15］；再者，研究人员将重编程因子Oct4、Sox2或者Nanog导入As中培养，发现可以获得神经干细胞或神经祖细胞，继续利用维甲酸等因素诱导可以产生神经元［16］。先诱导出神经干细胞再分化为神经元，这种间接方式存在很多不足，如致瘤性、过程复杂和排斥反应［17］。

后来研究转向了直接转分化为神经元，越过了神经干细胞的过程。例如，人脐带来源的间充质干细胞和大鼠激活态雪旺细胞联合培养［18］，前者可以表现出神经元特性；人骨髓基质干细胞（human bone marrow stromal stem cells，hBMSCs）在维甲酸和人类嗅鞘细胞（human olfactory ensheathing cells，hOECs）刺激下被诱导成神经元［19］，或者大鼠BMSCs在地黄多糖诱导下转分化为神经元样细胞［20］；也有研究利用病毒转导髓鞘转录因子样1（myelin transcription factor-like 1，Myt1l，ABM）将小鼠和人的成纤维细胞转化为功能性神经元［21］。这些实验结果表明了直接转分化技术已经成熟。而且，其与间接转分化相比，避开了生成神经干细胞的阶段，缩短了转分化时间，降低了过程的复杂性和致瘤性。但是，直接转分化神经元的方法也有一定的自限性。例如：转分化为神经元的效率低；新生的神经元增殖和迁移能力有限；最重要的一点是，被转分化的细胞来自异体细胞，避免不了排斥反应。

3 As转分化为神经元

神经系统疾病如阿尔茨海默病、癫痫等的发生发展以及脑血管病或脑外伤的发生均伴随胶质瘢痕的形成。虽然成人SVZ和海马齿状回的颗粒下层（sub granular zone，SGZ）存在成熟的神经干细胞，但数量和迁移能力有限，很难到达病灶区产生功能性神经元［22］。想要解决这些问题，就要发现既能控制胶质瘢痕的形成，又能转分化为神经元的细胞。因此，研究人员开始对胶质瘢痕中的主要细胞即As进行研究，诱导As转分化为神经元。将As转分化为神经元技术，既解决了免疫排斥反应，因为As是自体细胞；又解决了转分化的数量问题，虽然效率低，但是基数大；同时也解决了迁移的问题，因为As本身具有迁移能力，它可以迁移到病变部位发生转分化。

3.1 As间接转分化为神经元 在研究胚胎干细胞分化为其他各类细胞的基础之上，研究人员发现成年小鼠大脑的As在以病毒为媒介导入转录因子Sox2时，Sox2的强制性异位表达可以使As表现出神经母细胞的特性，但这不是最终目的。随后再利用BDNF和头蛋白或者利用组蛋白去乙酰化抑制剂将神经母细胞诱导分化为神经元［23］。不仅在成年小鼠的大脑As中发现这种现象，也有研究人员发现在成年小鼠脊髓损伤中分离的As也可以在Sox2的表达下转分化为双皮质素阳性（dual cortisol positive，DCX-positive）的神经母细胞，同样利用组蛋白去乙酰化抑制剂——丙戊酸分化为神经元［24］。脊髓不同于大脑的SVZ和SGZ区，没有神经发生，因此更能证明神经元是转分化的结果，也为脊髓损伤的治疗开创了新的途径。以上方法需要手术移植，最佳治疗时间是在损伤的亚急性期。但是间接转分化为神经元需要的时间较长，步骤繁琐，培养出神经元时已经是损伤的慢性期。而且，干细胞有致瘤性，神经母细胞也不例外。手术移植也会有后遗症，如产生的神经元可能形成神经回路，导致神经传导不能通过。

3.2 As直接转分化为神经元

3.2.1 As体外直接转分化为神经元 随着研究的深入，Berninger等［25］在体外利用逆转录病毒分别携带转录因子Pax6、Neurog2和Mash1导入小鼠的As，在合适的培养基条件下As成功被转分化为神经元，用绿色荧光和时间推移呈像技术检测出神经元是由As转分化而来，通过膜片钳技术发现有动作电位的产生。这项实验证明了功能性神经元可以在体外产生。Torper等［21］将小鼠纹状体或人胚胎分离的As中导入用慢病毒携带的转录因子Ascl1、Brn2a和Myt1l，前者被转分化为诱导性神经元。将诱导性神经元移植入小鼠脑组织，发现存在神经电传导，证明了体外培养的神经元在小鼠体内可以存活并具有功能。Ding等［26］利用携带单一基因Mash1的重组质粒导入As，1周后发现As表现出神经元的形态，并通过免疫荧光和Western blot技术发现被转分化的As具有神经元的特性。Potts等［27］也用单一基因——混合系白血病-1（Mll1）直接将As成功转分化为神经元。

神经元可以根据释放的递质分为胆碱能神经元、胺能神经元、氨基酸能神经元和肽能神经元。Heinrich等［28］从小鼠大脑皮质中分离出As，并将携带转录因子的逆转录病毒导入As，一组病毒携带背侧端脑决定因子Neurog2，另一组病毒携带腹侧端脑决定因子-DLX2，结果表明，导入Neurog2的As主要转分化为谷氨酸能神经元（兴奋性神经元），而导入DLX2的As主要转分化为γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）能神经元（抑制性神经元）。该实验证明不同的转录因子可以使As转分化为不同亚型的神经元。但是，以上研究结果是在体外实现的，虽然体外培养基模仿了体内环境，但是体内的微环境是不断变化的。

3.2.2 As体内直接转分化为神经元 体内进行直接转分化，不仅操作简单、降低了手术风险性，细胞可以根据体内的环境进行生长分化，优于以往的实验方法。但是，成功率低，因此这方面的研究也很少。Guo等［29］建立脑损伤和阿尔茨海默病的小鼠模型，用携带转录因子NeuroD1的逆转录病毒注入小鼠的大脑皮质中，免疫荧光检测发现As转分化为谷氨酸能神经元；该研究同时证明了瘢痕组织中的另一类细胞NG2既可以转分化为谷氨酸能神经元，也可以转分化为GABA能神经元，并且利用电生理皮质切片记录技术证明了新生神经元有突触形成。该研究说明直接转分化在动物体内可以实现。

4 展望

As直接转分化为神经元虽然提高了安全性、减少了治疗时间窗，解决了存活数量有限、牵引能力不足等问题，但是依旧存在一定的致瘤性；虽然解决了数量问题，但是转分化的效率依然很低。而且，颅脑创伤后损伤处以As为主的胶质瘢痕组织中还有很多其他外周细胞，例如表达血小板衍生生长因子受体-β（platelet-derived growth factor receptor-β，PDGFRβ）细胞、平滑肌肌动蛋白、CD146、CD13阳性的少突胶质细胞等。Karow等［30］以外科手术的方法从患者的大脑皮质病灶处提取标本，利用携带转录因子Sox2和Mash1的逆转录病毒导入标本中培养一段时间后，可以得到功能性神经元，但效率依旧很低。因此，同时解决细胞的致瘤性和转分化的效率问题成为了研究人员的研究方向。目前，所有的研究均尚未用于临床实践，只是在体外或者小鼠神经组织中检测有神经发生，至于用于临床患者的肢体功能或者认知能力是否能够得到恢复还是未知数。这些问题的解决将为神经系统疾病的临床治疗带来曙光。

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（2014-10-31收稿 2015-01-22修回）

（本文编辑 李鹏）

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

国家自然科学基金资助项目（81271392，81301050）

武警后勤学院附属医院脑科医院，天津市神经创伤修复重点实验室（邮编300162）

康文博（1988），男，硕士在读，主要从事神经外科方面研究

△E-mail:13502071825@163.com