自上世紀60年代發現神經再生現象以來，神經科學領域專家學者做了大量關于神經再生的研究，包括體外分離培養神經干細胞并探索神經干細胞增殖、分化、遷移的規律和機制，以期最終應用于中樞神經系統疾病的治療，如干細胞移植和神經生長因子誘導治療等。腦脊髓損傷是死殘率高、經濟負擔重的臨床常見疾患，現撰文主要就目前神經科學領域有關調控內源性神經干細胞參與腦脊髓損傷神經再生修復的研究進展作一綜述。
引用本文： 梁銳超, 方芳. 內源性神經干細胞在中樞神經系統創傷修復中的研究進展. 華西醫學, 2014, 29(1): 150-154. doi: 10.7507/1002-0179.20140047 復制
神經干細胞（NSC）是具有分化為神經元星形膠質細胞及少突膠質細胞的能力，能自我更新并足以提供大量腦組織細胞的細胞。內源性NSC是機體神經系統自身存在而非從外界導入的NSC。上世紀60年代，Altman等[1]首次證實成年哺乳動物大腦具有神經再生的能力，80年代Goldman等[2]再次提出此概念并有一系列實驗顯示成年鳥類大腦有新神經元生成，1992年Reynolds等[3]首次在體外成功分離并培養成年哺乳動物的NSC。Weiss等[4]于1996年首次體外成功分離培養哺乳動物脊髓的NSC。目前已公認，成年哺乳動物（包括人類）中樞神經系統中存在內源性NSC[5]，主要分布于側腦室壁的室管膜下區（SVZ）和海馬齒狀回的顆粒下層（SGZ），在脊髓室管膜區和白質也普遍存在NSC，可能由于這些區域具有適合干細胞生存及促使其發揮神經再生特性的特定微環境[6, 7]。另外，Imura[8]認為，在腦缺血或其他神經系統的病理狀態下，成熟細胞可發生細胞骨架的胚胎回復，出現胚胎神經上皮細胞特性的再表達。
創傷性腦損傷（TBI）和脊髓損傷（SCI）是由外傷引起的腦組織和脊髓組織損傷。隨著現代化建設進程及交通高速化發展，TBI和SCI的發生率逐年上升，并且死殘率高，后遺癥多，給患者及家庭造成極大的痛苦和經濟負擔，也給社會造成極大的救助壓力，是當今威脅人類生命健康的重要疾患之一[9]。TBI和SCI的病理生理過程相當復雜，傳統的藥物及手術治療手段往往難以逆轉細胞水平損害造成的神經功能缺失。外源性NSC移植是修復和代替受損腦組織的有效方法，能重建部分環路和功能。然而，外源性NSC移植存在一些問題[10]：① NSC在體外分離和鑒定培養中，還無法做到產出細胞完全均一，且不能將尚未標準化的操作流程所產出的隨機性很高的細胞直接移植給患者；② 其他組織干細胞如骨髓來源的干細胞，盡管也能向神經細胞分化，但幾乎無實驗能夠證明具有神經細胞抗原標記的跨胚層分化細胞是有功能的神經細胞；③ 先前進行的移植試驗，甚至臨床試驗，所觀察到的療效未提供令人信服的物質基礎，已經進行的很多臨床試驗都未發現長期療效，無法為細胞移植治療的可靠性提供直接證據；④ 外源性NSC存在潛在致瘤性是目前國際共識和研究焦點。相對于外源性NSC，內源性NSC具有來源穩定、無免疫原性、無成瘤性、可避免內環境紊亂等優勢。因此，充分調動患者自身中樞神經系統的內源性NSC遷移、分化和成熟，或許會為腦和脊髓創傷修復提供一個強有力的工具。現就其在中樞神經系統創傷修復中的研究進展作一綜述。
1 生理狀態下內源性NSC的增殖、分化和遷移
胚胎期NSC起源于神經管上皮并遷移分化為大腦皮層的錐體細胞和中間神經元[11]。出生前大多數神經前體細胞的遷移就已結束，成年哺乳動物生理狀態下中樞神經干細胞的分化遷移主要發生在大腦的SVZ、SGZ以及脊髓的室管膜區和白質[12]。內源性NSC的檢測方法有溴脫氧尿苷標記法（BrdU）、內源性細胞周期蛋白檢測法以及14C法，目前最常用的方法仍然是BrdU[13]。免疫組織化學驗證發現成體中樞神經干細胞表達巢蛋白（Nestin）、Musashi-1、SOX家族轉錄因子、細胞黏附因子（LeX和CXCR4等）以及CD133等表面標志物[14]。
位于SVZ的神經干細胞主要是LeX+、CD133+、GFAP+、Nestin+、CD24-、O4-、NeuN-、S-100β-的靜止細胞，它們通過類似室管膜上皮細胞纖毛的結構連接側腦室[15]。此類細胞可生成表達Dlx2+、Musashi-1+的中間前體細胞，中間前體細胞分裂活躍，短暫存在后分化為表達PSA-NCAM+、DCX+的神經母細胞[16]，神經母細胞可通過一種喙側遷移流（RMS）的結構遷移至嗅球并分化為嗅球中間神經元，從而形成腦室-嗅球神經再生系統（VONS）[17]，參與嗅覺辨別和記憶，使機體達到更好的嗅覺適應，增加嗅覺靈敏度[18]。神NSC在沿著VONS系統遷移過程中可能受RMS內的血管走向、纖維走向介導[12]，并循著VONS系統內的細胞因子濃度梯度遷移到嗅球，常見的如腦源性神經營養因子（BDNF）、膠質源性神經營養因子（GDNF）、血管內皮生長因子（VEGF）等[19, 20]。在遷移過程中，神經母細胞不斷分化成熟。
SGZ的NSC并無類似SVZ中的遠距離遷移途徑，此區主體細胞是表達GFAP+、S-100β-、Sox2+、Nestin+的靜止細胞，它們與表達GFAP-、S-100β-、Sox2+、Nestin+的活躍中間前體細胞共存，后者可進一步分化為表達GFAP+、S-100β+的成熟膠質細胞和表達DCX+的神經母細胞[16]。增殖分化的NSC遷移范圍很局限，它們主要遷移到顆粒層分化建立突觸，形成新的顆粒層神經元，并與分子層神經元聯系，參與學習和記憶活動[21]。
在脊髓，NSC的增殖、分化和遷移情況一直有爭議，目前比較常見的說法是，在室管膜的干細胞緩慢增殖、遷移到脊髓外層并分化為星形膠質細胞和少突膠質細胞[22]；而另一種說法認為干細胞和祖細胞可獨立存在于室管膜層外的脊髓實質，并在生理情況下增殖分化為星形膠質細胞和少突膠質細胞[23]。不管哪種說法，脊髓NSC的增殖分化方向是傾向膠質細胞，向神經元分化較少。
細胞信號分子、細胞外基質和細胞之間的相互作用共同調控NSC的分化[7]。SVZ和SGZ區的星形膠質細胞可以通過分泌信號分子和細胞接觸兩種途徑促進NSC向神經元方向分化，如SGZ區的膠質細胞分泌的Neurogenesin-1以及SVZ區分泌的Noggin可拮抗骨形態發生蛋白4（BMP-4）的誘導膠質分化作用，星形膠質細胞還可分泌Sonic hedgehog蛋白和白細胞介素（IL）-6、IL-1β等分子促進神經元的形成，在海馬區星形膠質細胞的長期接觸誘導，可增加海馬齒狀回神經元容量。血管內皮細胞分泌的BDNF和VEGF可介導干細胞向神經元方向分化，內皮下的基底膜可通過接觸誘導和捕獲成纖維細胞生長因子2（FGF-2）間接誘導神經元的形成[7, 24]。
2 病理狀態下NSC干細胞的增殖、分化和遷移
2.1 TBI
創傷引起的神經元變性和缺失分局部和彌漫性兩種情況。局部損傷主要存在于額極、額葉眶部、顳極以及外側裂以上的腦區，包括局部的腦挫裂傷和出血；而彌漫性損傷則主要累及海馬區腦組織，致死性TBI患者的腦組織損傷缺失可達80%以上，此類患者病情穩定后會出現不同程度認知障礙。
動物實驗證明，TBI可引起SVZ的干細胞分裂、增殖、分化，并以類似生理狀態下的鏈式遷移方式到達損傷病灶，替換變性壞死的神經元；與此同時，生理狀態下的RMS遷移方式就相應減少，提示增殖的干細胞可能因為細胞外信號的改變打破了RMS中星形膠質細胞和神經前體細胞之間的屏障，重新定向遷移途徑[25]。大鼠海馬創傷模型研究發現，最早于TBI后2 d就可在傷側和對側海馬區檢測到大量新生的神經元，均來源于齒狀回增殖分化的NSC[25, 26]。成年大鼠海馬齒狀回SGZ的NSC與幼年大鼠相比，具有相似的增殖能力，但損傷灶新生神經元數量較幼年組少，可能由于成年大鼠分泌神經營養因子（如BDNF）的能力減弱所致。通過腦室內注入神經營養因子S-100β后，大鼠SGZ區NSC增殖明顯，創傷灶新生神經元數量也較對照組明顯增加，實驗組大鼠智力測試結果也較對照組高[27]。以上實驗提示海馬區NSC在創傷后增殖、分化、遷移到病灶，可以替代缺失神經元重建神經網絡。臨床上也有輕中度的腦外傷患者認知障礙有自發改善和恢復的報導[28]。雖然新皮層的挫傷可能通過SVZ區NSC的增殖、遷移和分化得以修復，但Magavi等[29]的研究發現，成年猴皮層損傷后可在原位檢測到NSC增殖、分化并自我修復。
腦損傷后NSC的增殖遷移現象支持內源性NSC的誘導分化修復腦損傷的猜測，但根據大多數患者的表現看，這種內源性再生修復作用并不十分有效，因為再生過程中只有不到50%的神經元能夠遷移分化成熟并在損傷部位成功建立突觸聯系[30]。內源性NSC再生遷移分化過程好像并未充分激活或者被周圍環境所抑制[24]。
2.2 SCI
脊髓的直接創傷可引起一系列細胞和分子病理事件，包括進行性的出血壞死、水腫、髓鞘脫失和細胞破壞。在脊髓損傷早期，主要是脊髓內部血管破壞、灰質神經元變性缺失以及白質少突膠質細胞的缺失。血管損傷引起的缺血缺氧以及軸突斷裂等可繼發系列二次損傷事件，包括興奮毒性、變性壞死區的擴大以及星形膠質細胞和小膠質細胞的活化，后者的增生可引起病灶膠質瘢痕的形成。臨床上，患者會出現一系列的感覺運動缺失和自主神經功能障礙[31]。
脊髓中央管內的室管膜細胞被認為是成年脊髓內NSC的主要來源，其在正常生理狀態下可進行自我更新，但增殖分化成其他細胞（膠質細胞和神經元）的比例較少。脊髓受損后早期（24 h內）就可觀察到NSC增殖活化，活化的室管膜細胞分化成星形膠質細胞和少突膠質細胞，但生成神經元的比例極少[32]。星形膠質細胞可遷移到損傷灶形成膠質瘢痕，阻礙軸突的再生修復和組織重建，而且活化的星形膠質細胞可分泌神經再生修復抑制因子。少突膠質細胞可參與髓鞘修復和重建，但脊髓損傷可波及大范圍內的髓鞘脫失，且室管膜細胞分化形成的星形膠質細胞比例較大，膠質瘢痕范圍也廣，這些都阻礙了少突膠質細胞的神經再生作用[33]。總之，脊髓損傷后雖有大量細胞再生，但其自然病程是形成膠質瘢痕而不是神經中樞的再生修復，導致患者功能恢復受限[34]。
3 調控內源性NSC參與再生修復的因素
3.1 外源性神經生長因子和營養因子的引入
3.1.1 TBI修復中神經生長因子的作用
大量TBI動物模型研究發現，脈絡叢-腦脊液的穩定性在TBI發生時遭到破壞，包括血-腦脊液屏障破壞、腦脊液流體動力學改變、大量白細胞進入腦脊液等都可嚴重影響SVZ和SGZ區的神經再生修復過程。脈絡叢修復時，可上調腦脊液中生長因子和神經營養因子的濃度，又可促進神經再生和認知功能的恢復。因此，通過腦室內注射補充生長因子和神經營養因子的措施可加快神經再生、血管再生和神經保護作用[35]。
生長因子如FGF-2和表皮生長因子（EGF）有強烈的促有絲分裂作用，基因敲除鼠實驗表明FGF-2對于海馬的神經再生必不可少，腦室灌注FGF-2或EGF可促進TBI動物模型的SVZ和SGZ區的神經再生和動物神經功能的恢復。VEGF是一種血管再生蛋白，同時具有神經營養保護作用，小鼠實驗證明VEGF可以促進神經再生功能，改善TBI預后。促紅細胞生成素是造血干細胞成熟、分化和存活的必需細胞因子，重組人促紅細胞生長素可明顯促進SGZ區神經再生及改善認知功能[5]。胰島素樣生長因子1（IGF-1）可以促進海馬齒狀回SGZ區的干細胞增殖以及神經元、少突膠質細胞和血管的新生。近來發現，生長激素（GH）也可以誘導成年大腦細胞新生，甚至生長激素刺激激素（GHS）也有神經保護和神經再生作用。GH信號通路相關基因敲除的大鼠神經元和星形膠質細胞都明顯減少。總之，GH/IGF-1軸在TBI后的神經再生和功能恢復中可能起到比較重要的作用[36]。
但上述實驗采用側腦室注射藥物方式，隨著腦脊液的流動，藥物會廣泛分布于大腦組織，而實驗觀察到的神經再生或神經營養作用是這些生長因子直接作用于NSC產生的還是腦組織的連鎖反應值得思考。且彌散性的給藥可能引發不適當的誘導增殖作用，導致難以控制的不良反應（如腫瘤、癲癇[37]等）。
3.1.2 SCI修復中神經生長因子的作用
目前在脊髓損傷修復中，為動員NSC采取的措施有促進或抑制特定細胞因子、施加特定生長因子以及調控轉錄因子的表達[32]。
給予細胞因子或抑制某細胞因子受體可促使脊髓損傷向期望的方向恢復。粒單核細胞集落刺激因子（GM-CSF）在體外實驗中可促進NSC增殖，SCI后向損傷灶直接注射GM-CSF可增加病灶周圍內源性NSC數量，并促進運動功能恢復。IL-6可誘導內源性NSC向星形膠質細胞分化，向實驗性SCI小鼠腹腔注射IL-6單抗治療后，明顯抑制損傷灶星形膠質細胞的聚集，并改善小鼠運動功能。白血病抑制因子（LIF）也可促進SCI動物模型脊髓損傷灶NSC的增殖[32]。
向SCI病灶直接注射生長因子（如FGF-2和EGF）可刺激神經前體細胞的神經再生及少突膠質細胞再生修復功能。結合生長因子治療（如BDNF、FGF-2和EGF）和基因修飾（通過逆轉錄病毒導入目的基因使NSCS高表達neurogenin 2/Mash1）等實驗表明可促進神經再生和少突膠質細胞再生[32]。
3.2 與神經再生相關的信號通路
NSC再生微環境有一系列促進干細胞增殖、遷移、分化以及成熟的分子信號，包括Wnt、Shh、骨形態發生蛋白拮抗分子、Notch信號以及細胞因子等。這些細胞外信號以及相關的胞內信號網絡緊密聯系，共同調控神經再生過程。目前研究比較熱的有Wnt信號通路、Notch信號通路等。
Wnt家族是促進細胞增殖分化的糖蛋白，由NSC和星形膠質細胞產生。哺乳動物Wnt家族有19個成員，它們的分泌受到嚴格的時空特異性調控，并可激活不同的細胞內信號通路，調控細胞功能。經典的Wnt信號通路又叫Wnt/beta-catenin通路，在哺乳動物不同種屬之間高度保守。Wnt蛋白與其跨膜受體結合后通過LPR共受體激活胞內的Dvl蛋白，Dvl蛋白的激活促進胞質內beta-catenin破壞復合物的解離，蓄積的beta-catenin轉位到核內激活靶基因，并進一步參與內源性NSC的自我更新、分化和成熟。雖然目前有大量關于Wnt/beta-catenin信號通路的研究結果，但其調控的分子機制尚未完全明確[38]。
Notch信號通路在哺乳動物體內是比較保守的，Notch是受體分子包括Notch1-4，對應的配體如鋸齒狀蛋白（JAG1、JAG2）等。Notch信號與其他信號相互作用，形成交叉網絡，共同調控神經再生過程。Notch及其配體是跨膜蛋白，二者結合后激活蛋白酶切割Notch跨膜段，游離的Notch胞內結構域轉位入核內調控基因表達。與此同時，Notch配體胞內段也受蛋白酶切割，但游離片段功能尚不清楚。此前研究結果提出許多Notch參與神經再生修復的機制理論，但尚未確切證實。明確Notch信號通路分子機制，可以很大程度促進神經再生修復的理論與臨床研究[39]。
4 問題與展望
內源性NSC通過不對稱分裂，一方面保持自我更新，另一方面不斷分化成神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞，維持大腦正常神經功能。在疾病狀態下，NSC會改變分化、遷移模式參與損傷部位的神經再生過程。調控神經再生修復過程的機制復雜，尚未完全明確，但自然狀態下，NSC的神經再生作用不能完全發揮，或往不理想方向發展（如形成膠質瘢痕），需借助干預措施動員NSC，誘導其遷移、分化修復損傷。在此前需充分了解干細胞的動員模式和機理，尋找恰當的動員措施，嚴格控制其神經再生作用，這是目前神經再生領域研究的難點和重點。隨著高分子材料技術的發展及其與生物醫學領域的交叉融合，微納米生物材料在生物治療中的應用越來越廣泛，微納米顆粒系統在將生物信號分子運送達目的靶位之前可有效保護信號分子及維持其穩定性，為中樞神經系統的創傷修復提供新思路[24]。總之，內源性NSC在中樞神經系統創傷修復方面具有獨特的優勢，值得深入研究并有望在不久的將來成為中樞神經系統創傷修復極具潛力的治療途徑。
神經干細胞（NSC）是具有分化為神經元星形膠質細胞及少突膠質細胞的能力，能自我更新并足以提供大量腦組織細胞的細胞。內源性NSC是機體神經系統自身存在而非從外界導入的NSC。上世紀60年代，Altman等[1]首次證實成年哺乳動物大腦具有神經再生的能力，80年代Goldman等[2]再次提出此概念并有一系列實驗顯示成年鳥類大腦有新神經元生成，1992年Reynolds等[3]首次在體外成功分離并培養成年哺乳動物的NSC。Weiss等[4]于1996年首次體外成功分離培養哺乳動物脊髓的NSC。目前已公認，成年哺乳動物（包括人類）中樞神經系統中存在內源性NSC[5]，主要分布于側腦室壁的室管膜下區（SVZ）和海馬齒狀回的顆粒下層（SGZ），在脊髓室管膜區和白質也普遍存在NSC，可能由于這些區域具有適合干細胞生存及促使其發揮神經再生特性的特定微環境[6, 7]。另外，Imura[8]認為，在腦缺血或其他神經系統的病理狀態下，成熟細胞可發生細胞骨架的胚胎回復，出現胚胎神經上皮細胞特性的再表達。
創傷性腦損傷（TBI）和脊髓損傷（SCI）是由外傷引起的腦組織和脊髓組織損傷。隨著現代化建設進程及交通高速化發展，TBI和SCI的發生率逐年上升，并且死殘率高，后遺癥多，給患者及家庭造成極大的痛苦和經濟負擔，也給社會造成極大的救助壓力，是當今威脅人類生命健康的重要疾患之一[9]。TBI和SCI的病理生理過程相當復雜，傳統的藥物及手術治療手段往往難以逆轉細胞水平損害造成的神經功能缺失。外源性NSC移植是修復和代替受損腦組織的有效方法，能重建部分環路和功能。然而，外源性NSC移植存在一些問題[10]：① NSC在體外分離和鑒定培養中，還無法做到產出細胞完全均一，且不能將尚未標準化的操作流程所產出的隨機性很高的細胞直接移植給患者；② 其他組織干細胞如骨髓來源的干細胞，盡管也能向神經細胞分化，但幾乎無實驗能夠證明具有神經細胞抗原標記的跨胚層分化細胞是有功能的神經細胞；③ 先前進行的移植試驗，甚至臨床試驗，所觀察到的療效未提供令人信服的物質基礎，已經進行的很多臨床試驗都未發現長期療效，無法為細胞移植治療的可靠性提供直接證據；④ 外源性NSC存在潛在致瘤性是目前國際共識和研究焦點。相對于外源性NSC，內源性NSC具有來源穩定、無免疫原性、無成瘤性、可避免內環境紊亂等優勢。因此，充分調動患者自身中樞神經系統的內源性NSC遷移、分化和成熟，或許會為腦和脊髓創傷修復提供一個強有力的工具。現就其在中樞神經系統創傷修復中的研究進展作一綜述。
1 生理狀態下內源性NSC的增殖、分化和遷移
胚胎期NSC起源于神經管上皮并遷移分化為大腦皮層的錐體細胞和中間神經元[11]。出生前大多數神經前體細胞的遷移就已結束，成年哺乳動物生理狀態下中樞神經干細胞的分化遷移主要發生在大腦的SVZ、SGZ以及脊髓的室管膜區和白質[12]。內源性NSC的檢測方法有溴脫氧尿苷標記法（BrdU）、內源性細胞周期蛋白檢測法以及14C法，目前最常用的方法仍然是BrdU[13]。免疫組織化學驗證發現成體中樞神經干細胞表達巢蛋白（Nestin）、Musashi-1、SOX家族轉錄因子、細胞黏附因子（LeX和CXCR4等）以及CD133等表面標志物[14]。
位于SVZ的神經干細胞主要是LeX+、CD133+、GFAP+、Nestin+、CD24-、O4-、NeuN-、S-100β-的靜止細胞，它們通過類似室管膜上皮細胞纖毛的結構連接側腦室[15]。此類細胞可生成表達Dlx2+、Musashi-1+的中間前體細胞，中間前體細胞分裂活躍，短暫存在后分化為表達PSA-NCAM+、DCX+的神經母細胞[16]，神經母細胞可通過一種喙側遷移流（RMS）的結構遷移至嗅球并分化為嗅球中間神經元，從而形成腦室-嗅球神經再生系統（VONS）[17]，參與嗅覺辨別和記憶，使機體達到更好的嗅覺適應，增加嗅覺靈敏度[18]。神NSC在沿著VONS系統遷移過程中可能受RMS內的血管走向、纖維走向介導[12]，并循著VONS系統內的細胞因子濃度梯度遷移到嗅球，常見的如腦源性神經營養因子（BDNF）、膠質源性神經營養因子（GDNF）、血管內皮生長因子（VEGF）等[19, 20]。在遷移過程中，神經母細胞不斷分化成熟。
SGZ的NSC并無類似SVZ中的遠距離遷移途徑，此區主體細胞是表達GFAP+、S-100β-、Sox2+、Nestin+的靜止細胞，它們與表達GFAP-、S-100β-、Sox2+、Nestin+的活躍中間前體細胞共存，后者可進一步分化為表達GFAP+、S-100β+的成熟膠質細胞和表達DCX+的神經母細胞[16]。增殖分化的NSC遷移范圍很局限，它們主要遷移到顆粒層分化建立突觸，形成新的顆粒層神經元，并與分子層神經元聯系，參與學習和記憶活動[21]。
在脊髓，NSC的增殖、分化和遷移情況一直有爭議，目前比較常見的說法是，在室管膜的干細胞緩慢增殖、遷移到脊髓外層并分化為星形膠質細胞和少突膠質細胞[22]；而另一種說法認為干細胞和祖細胞可獨立存在于室管膜層外的脊髓實質，并在生理情況下增殖分化為星形膠質細胞和少突膠質細胞[23]。不管哪種說法，脊髓NSC的增殖分化方向是傾向膠質細胞，向神經元分化較少。
細胞信號分子、細胞外基質和細胞之間的相互作用共同調控NSC的分化[7]。SVZ和SGZ區的星形膠質細胞可以通過分泌信號分子和細胞接觸兩種途徑促進NSC向神經元方向分化，如SGZ區的膠質細胞分泌的Neurogenesin-1以及SVZ區分泌的Noggin可拮抗骨形態發生蛋白4（BMP-4）的誘導膠質分化作用，星形膠質細胞還可分泌Sonic hedgehog蛋白和白細胞介素（IL）-6、IL-1β等分子促進神經元的形成，在海馬區星形膠質細胞的長期接觸誘導，可增加海馬齒狀回神經元容量。血管內皮細胞分泌的BDNF和VEGF可介導干細胞向神經元方向分化，內皮下的基底膜可通過接觸誘導和捕獲成纖維細胞生長因子2（FGF-2）間接誘導神經元的形成[7, 24]。
2 病理狀態下NSC干細胞的增殖、分化和遷移
2.1 TBI
創傷引起的神經元變性和缺失分局部和彌漫性兩種情況。局部損傷主要存在于額極、額葉眶部、顳極以及外側裂以上的腦區，包括局部的腦挫裂傷和出血；而彌漫性損傷則主要累及海馬區腦組織，致死性TBI患者的腦組織損傷缺失可達80%以上，此類患者病情穩定后會出現不同程度認知障礙。
動物實驗證明，TBI可引起SVZ的干細胞分裂、增殖、分化，并以類似生理狀態下的鏈式遷移方式到達損傷病灶，替換變性壞死的神經元；與此同時，生理狀態下的RMS遷移方式就相應減少，提示增殖的干細胞可能因為細胞外信號的改變打破了RMS中星形膠質細胞和神經前體細胞之間的屏障，重新定向遷移途徑[25]。大鼠海馬創傷模型研究發現，最早于TBI后2 d就可在傷側和對側海馬區檢測到大量新生的神經元，均來源于齒狀回增殖分化的NSC[25, 26]。成年大鼠海馬齒狀回SGZ的NSC與幼年大鼠相比，具有相似的增殖能力，但損傷灶新生神經元數量較幼年組少，可能由于成年大鼠分泌神經營養因子（如BDNF）的能力減弱所致。通過腦室內注入神經營養因子S-100β后，大鼠SGZ區NSC增殖明顯，創傷灶新生神經元數量也較對照組明顯增加，實驗組大鼠智力測試結果也較對照組高[27]。以上實驗提示海馬區NSC在創傷后增殖、分化、遷移到病灶，可以替代缺失神經元重建神經網絡。臨床上也有輕中度的腦外傷患者認知障礙有自發改善和恢復的報導[28]。雖然新皮層的挫傷可能通過SVZ區NSC的增殖、遷移和分化得以修復，但Magavi等[29]的研究發現，成年猴皮層損傷后可在原位檢測到NSC增殖、分化并自我修復。
腦損傷后NSC的增殖遷移現象支持內源性NSC的誘導分化修復腦損傷的猜測，但根據大多數患者的表現看，這種內源性再生修復作用并不十分有效，因為再生過程中只有不到50%的神經元能夠遷移分化成熟并在損傷部位成功建立突觸聯系[30]。內源性NSC再生遷移分化過程好像并未充分激活或者被周圍環境所抑制[24]。
2.2 SCI
脊髓的直接創傷可引起一系列細胞和分子病理事件，包括進行性的出血壞死、水腫、髓鞘脫失和細胞破壞。在脊髓損傷早期，主要是脊髓內部血管破壞、灰質神經元變性缺失以及白質少突膠質細胞的缺失。血管損傷引起的缺血缺氧以及軸突斷裂等可繼發系列二次損傷事件，包括興奮毒性、變性壞死區的擴大以及星形膠質細胞和小膠質細胞的活化，后者的增生可引起病灶膠質瘢痕的形成。臨床上，患者會出現一系列的感覺運動缺失和自主神經功能障礙[31]。
脊髓中央管內的室管膜細胞被認為是成年脊髓內NSC的主要來源，其在正常生理狀態下可進行自我更新，但增殖分化成其他細胞（膠質細胞和神經元）的比例較少。脊髓受損后早期（24 h內）就可觀察到NSC增殖活化，活化的室管膜細胞分化成星形膠質細胞和少突膠質細胞，但生成神經元的比例極少[32]。星形膠質細胞可遷移到損傷灶形成膠質瘢痕，阻礙軸突的再生修復和組織重建，而且活化的星形膠質細胞可分泌神經再生修復抑制因子。少突膠質細胞可參與髓鞘修復和重建，但脊髓損傷可波及大范圍內的髓鞘脫失，且室管膜細胞分化形成的星形膠質細胞比例較大，膠質瘢痕范圍也廣，這些都阻礙了少突膠質細胞的神經再生作用[33]。總之，脊髓損傷后雖有大量細胞再生，但其自然病程是形成膠質瘢痕而不是神經中樞的再生修復，導致患者功能恢復受限[34]。
3 調控內源性NSC參與再生修復的因素
3.1 外源性神經生長因子和營養因子的引入
3.1.1 TBI修復中神經生長因子的作用
大量TBI動物模型研究發現，脈絡叢-腦脊液的穩定性在TBI發生時遭到破壞，包括血-腦脊液屏障破壞、腦脊液流體動力學改變、大量白細胞進入腦脊液等都可嚴重影響SVZ和SGZ區的神經再生修復過程。脈絡叢修復時，可上調腦脊液中生長因子和神經營養因子的濃度，又可促進神經再生和認知功能的恢復。因此，通過腦室內注射補充生長因子和神經營養因子的措施可加快神經再生、血管再生和神經保護作用[35]。
生長因子如FGF-2和表皮生長因子（EGF）有強烈的促有絲分裂作用，基因敲除鼠實驗表明FGF-2對于海馬的神經再生必不可少，腦室灌注FGF-2或EGF可促進TBI動物模型的SVZ和SGZ區的神經再生和動物神經功能的恢復。VEGF是一種血管再生蛋白，同時具有神經營養保護作用，小鼠實驗證明VEGF可以促進神經再生功能，改善TBI預后。促紅細胞生成素是造血干細胞成熟、分化和存活的必需細胞因子，重組人促紅細胞生長素可明顯促進SGZ區神經再生及改善認知功能[5]。胰島素樣生長因子1（IGF-1）可以促進海馬齒狀回SGZ區的干細胞增殖以及神經元、少突膠質細胞和血管的新生。近來發現，生長激素（GH）也可以誘導成年大腦細胞新生，甚至生長激素刺激激素（GHS）也有神經保護和神經再生作用。GH信號通路相關基因敲除的大鼠神經元和星形膠質細胞都明顯減少。總之，GH/IGF-1軸在TBI后的神經再生和功能恢復中可能起到比較重要的作用[36]。
但上述實驗采用側腦室注射藥物方式，隨著腦脊液的流動，藥物會廣泛分布于大腦組織，而實驗觀察到的神經再生或神經營養作用是這些生長因子直接作用于NSC產生的還是腦組織的連鎖反應值得思考。且彌散性的給藥可能引發不適當的誘導增殖作用，導致難以控制的不良反應（如腫瘤、癲癇[37]等）。
3.1.2 SCI修復中神經生長因子的作用
目前在脊髓損傷修復中，為動員NSC采取的措施有促進或抑制特定細胞因子、施加特定生長因子以及調控轉錄因子的表達[32]。
給予細胞因子或抑制某細胞因子受體可促使脊髓損傷向期望的方向恢復。粒單核細胞集落刺激因子（GM-CSF）在體外實驗中可促進NSC增殖，SCI后向損傷灶直接注射GM-CSF可增加病灶周圍內源性NSC數量，并促進運動功能恢復。IL-6可誘導內源性NSC向星形膠質細胞分化，向實驗性SCI小鼠腹腔注射IL-6單抗治療后，明顯抑制損傷灶星形膠質細胞的聚集，并改善小鼠運動功能。白血病抑制因子（LIF）也可促進SCI動物模型脊髓損傷灶NSC的增殖[32]。
向SCI病灶直接注射生長因子（如FGF-2和EGF）可刺激神經前體細胞的神經再生及少突膠質細胞再生修復功能。結合生長因子治療（如BDNF、FGF-2和EGF）和基因修飾（通過逆轉錄病毒導入目的基因使NSCS高表達neurogenin 2/Mash1）等實驗表明可促進神經再生和少突膠質細胞再生[32]。
3.2 與神經再生相關的信號通路
NSC再生微環境有一系列促進干細胞增殖、遷移、分化以及成熟的分子信號，包括Wnt、Shh、骨形態發生蛋白拮抗分子、Notch信號以及細胞因子等。這些細胞外信號以及相關的胞內信號網絡緊密聯系，共同調控神經再生過程。目前研究比較熱的有Wnt信號通路、Notch信號通路等。
Wnt家族是促進細胞增殖分化的糖蛋白，由NSC和星形膠質細胞產生。哺乳動物Wnt家族有19個成員，它們的分泌受到嚴格的時空特異性調控，并可激活不同的細胞內信號通路，調控細胞功能。經典的Wnt信號通路又叫Wnt/beta-catenin通路，在哺乳動物不同種屬之間高度保守。Wnt蛋白與其跨膜受體結合后通過LPR共受體激活胞內的Dvl蛋白，Dvl蛋白的激活促進胞質內beta-catenin破壞復合物的解離，蓄積的beta-catenin轉位到核內激活靶基因，并進一步參與內源性NSC的自我更新、分化和成熟。雖然目前有大量關于Wnt/beta-catenin信號通路的研究結果，但其調控的分子機制尚未完全明確[38]。
Notch信號通路在哺乳動物體內是比較保守的，Notch是受體分子包括Notch1-4，對應的配體如鋸齒狀蛋白（JAG1、JAG2）等。Notch信號與其他信號相互作用，形成交叉網絡，共同調控神經再生過程。Notch及其配體是跨膜蛋白，二者結合后激活蛋白酶切割Notch跨膜段，游離的Notch胞內結構域轉位入核內調控基因表達。與此同時，Notch配體胞內段也受蛋白酶切割，但游離片段功能尚不清楚。此前研究結果提出許多Notch參與神經再生修復的機制理論，但尚未確切證實。明確Notch信號通路分子機制，可以很大程度促進神經再生修復的理論與臨床研究[39]。
4 問題與展望
內源性NSC通過不對稱分裂，一方面保持自我更新，另一方面不斷分化成神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞，維持大腦正常神經功能。在疾病狀態下，NSC會改變分化、遷移模式參與損傷部位的神經再生過程。調控神經再生修復過程的機制復雜，尚未完全明確，但自然狀態下，NSC的神經再生作用不能完全發揮，或往不理想方向發展（如形成膠質瘢痕），需借助干預措施動員NSC，誘導其遷移、分化修復損傷。在此前需充分了解干細胞的動員模式和機理，尋找恰當的動員措施，嚴格控制其神經再生作用，這是目前神經再生領域研究的難點和重點。隨著高分子材料技術的發展及其與生物醫學領域的交叉融合，微納米生物材料在生物治療中的應用越來越廣泛，微納米顆粒系統在將生物信號分子運送達目的靶位之前可有效保護信號分子及維持其穩定性，為中樞神經系統的創傷修復提供新思路[24]。總之，內源性NSC在中樞神經系統創傷修復方面具有獨特的優勢，值得深入研究并有望在不久的將來成為中樞神經系統創傷修復極具潛力的治療途徑。