诱导性多能干细胞在阿尔茨海默病模型构建及治疗中的应用进展

唐娟，付洁，柴际尧，唐兴江

(西南医科大学附属医院,四川泸州646000)



·综述·

诱导性多能干细胞在阿尔茨海默病模型构建及治疗中的应用进展

唐娟，付洁，柴际尧，唐兴江

(西南医科大学附属医院,四川泸州646000)

阿尔茨海默病(AD)是一种发病隐匿的中枢神经系统退行性疾病，主要临床表现为进行性认知功能障碍和记忆损伤,但目前临床上尚无有效的治疗方法。通过基因转染技术使体细胞重编程而得到的诱导性多能干细胞(iPSC)，因其具有类似胚胎干细胞的多种功能，可构建AD病理学研究模型、开展AD潜在治疗药物筛选和个性化的细胞治疗方案，从而为AD的治疗提供了新途径。

阿尔茨海默病；神经干细胞；诱导性多能干细胞；细胞治疗

近年，阿尔茨海默病(AD)发病率逐年升高，给患者及其家庭带来了痛苦和负担，也对全世界健康医疗体系造成了巨大的挑战，更引发了社会公众的持续性关注。AD又称为老年痴呆症，是老年期最常见的痴呆类型，为一种中枢神经系统进行性退变的疾病，临床表现以进行性认知功能障碍和记忆损伤为主，其主要的病理特征为β-淀粉样蛋白(Aβ)在神经元细胞外异常沉积形成老年斑、tau蛋白异常磷酸化形成神经元纤维缠结、神经元的丢失，但其具体病因及机制仍不完全清楚，尚有待更进一步的探究。目前AD的诊断以临床表现为主，分为痴呆前阶段和痴呆阶段，常以患者大脑颞叶、海马萎缩或神经元损伤的相关影像学表现和病理学标志物作为病情的判断依据。在治疗方面，胆碱酯酶抑制剂、NMDA受体拮抗剂和脑代谢赋活剂等小分子药物及免疫疗法是目前常用的药物和方法。但药物只能改善AD早期的临床症状，无法阻止疾病的进展和恶化，免疫疗法的不良反应也较多，且费用昂贵，临床推广困难[1]。同样，目前尚无成熟的的病理研究模型[2]。然而，诱导性多能干细胞(iPSC)是近年研究发现的具有胚胎干细胞类似功能的一种新型细胞，为AD的治疗提供了新的视野，其具有以下特点：①增殖能力强，具有极高的分化潜能，且数量来源广，可由普通的体细胞诱导获得，成本低廉；②细胞免疫原性低，免疫排斥反应低；③诱导靶细胞形成iPSC的过程中不会经历胚胎阶段，不涉及伦理问题。因此，iPSC克服了传统干细胞在AD治疗上的诸多难题，为在病因上根治AD提供了可能。现就iPSC在阿尔茨海默病模型构建及治疗中的应用进展综述如下。

1　iPSC在AD模型构建中的应用

阿尔茨海默病是一种发病复杂、不可逆转的进行性神经退化疾病，目前尚无成熟的病理学研究模型能够完全表现其发病特征。AD小鼠模型虽然具有家族性AD基因缺陷，表现为神经突触受损和记忆损伤，但是却检测不到淀粉样沉积斑块和神经纤维缠结等病理特点[3]，因此无法在动物模型上完全模拟 AD 的发病进程。然而，家族性AD患者来源的iPSC，经分化获得的神经细胞，其Aβ分泌量和磷酸化tau蛋白得到有效提高，结合体外的3D培养体系，更能够促进其体外形成Aβ斑块和神经纤维缠结，达到AD发病水平的特征，满足体外研究AD发病模型的需求[3]。另外，有研究表明[4]，由1例82岁患有间歇性中风的家族性AD患者的皮肤成纤维细胞诱导形成iPSC，经分化获得的神经细胞，与普通神经细胞相比，其AD相关基因的表达水平发生了重大变化，具体情况与患者脑部病变细胞相似，且经过γ分泌酶处理之后，其磷酸化tau蛋白量下调。由此证明了iPSC分化的神经细胞可以作为体外研究AD发病和药物筛选的病理模型。

2　iPSC在AD治疗中的应用

自从1998年，美国科学家Thomson等[5]首次在体外建立人胚胎干细胞系(ESC)[5]以来，已有多项研究[1,6～11]表明，运用干细胞在体外分化获得的神经干/祖细胞和特异神经细胞移植到AD小鼠病理模型中，能够有效改善其空间记忆力和认知功能。其治疗AD可能的机制是：①干细胞分化的神经细胞发挥受损细胞功能或完全替代受损细胞；②分泌营养因子，促进内源性修复；③分化而来的神经细胞清除病发部位的神经毒性物质。综上所述，干细胞具有彻底治愈AD的潜能，但是由于胚胎干细胞的稀缺性和伦理问题限制了临床上进一步的应用和发展。日本科学家山中伸弥[12,13]将4个在胚胎干细胞中高表达的转录因子Oct3/4、Sox2、Klf4、c-Myc相继转入小鼠和人体的皮肤成纤维细胞，成功地将其转变为iPSC，解决了以上难题，从而打开了利用iPSC治疗AD的新领域。

2.1iPSC在AD治疗药物筛选中的应用

患者自体来源的iPSC细胞，携带相同的发病基因，经过特殊培养条件获得表型和功能上与AD相同的神经细胞，可以作为体外药物筛选的有效模型，获得能够改善AD症状的种子药物。这项突破将大大加快新药的研发速度。据报道[14]，2013年日本的iPSC细胞研究与应用中心将从家族性AD患者身上获得的携带有APP-E693突变的细胞诱导形成iPSC，分化为AD病理型神经元和星形胶质细胞。以此细胞为药物筛选模型，证明了二十二碳六烯酸(DHA)能够减少由Aβ低聚物累积造成的活化氧自由基，从而缓解AD病情。

iPSC 技术为体外规模化筛选治疗AD 的有效药物提供了源源不断的靶细胞，开辟了药物筛选治疗 AD 的新天地。但是，目前的小分子药物只能延缓AD病情恶化，却无法彻底治愈AD。因此，最有潜力的 AD 治愈手段，当属细胞再生治疗。

2.2iPSC在AD个性化细胞治疗方案制定中的应用利用iPSC来源的功能正常的神经细胞，通过基因编辑和工程改造，在体外经过大量扩增、特殊培养等处理之后，使其具有修复或替代受损细胞发挥功能的作用，能够实现治疗或治愈AD等神经退行性疾病的目的。例如，2013年，日本大学药学院的Koutar团队[15]制备了一种由人体iPSC分化而且表达脑啡肽酶-2(NEP2)的巨噬细胞(iPS-ML/NEP2)，将其注射到5XAD模型小鼠的大脑中，发现在iPS-ML/NEP2周围Aβ含量明显降低，由Aβ造成的神经毒性也随之下降。虽然，这种细胞治疗方法在动物模型上证明其能够缓解AD病情，减轻因Aβ沉积导致病情恶化的程度，但是，从最终治疗原理来看，与普通药物治疗类似，依然不能根治AD。如果采用iPSC来源的功能性神经干/祖细胞和特异神经细胞，通过移植进入患者脑部病变部位，替换掉受损神经细胞，从基本治疗原理而言，将有可能彻底治愈AD[16,17]。

虽然，目前iPSC来源的神经细胞还主要用于体外构建AD病理模型，研究其发病机制和特征，以及为药物筛选提供参考，但是，开展以iPSC为基础的细胞治疗研究将会成为新的方向。随着干细胞分化技术的不断优化，以iPSC为起始分化细胞，能够获得功能性的神经干/祖细胞、神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞等多种细胞类型[17,18]，通过移植到AD动物模型大脑中，直接替换受损细胞，很有可能实现治疗AD等相关神经退行性疾病的目标。

2.3iPSC在AD治疗中所面临问题以往的研究中，由iPSC获得的目的神经细胞都需要经历干细胞的中间阶段，同时，由于分化效率不高，最终获得的是由异质细胞和目的细胞组成的混杂细胞群，增加了细胞纯化难度。针对这个问题，转分化技术便应运而生。转分化技术是指利用特殊转录因子，将A细胞直接诱导为B细胞的技术，中间过程不用经历iPSC阶段。2010年，斯坦福医学院的Thomas 等[19]利用3个转录因子Ascl1、Brn2、MyT1L，将小鼠成纤维细胞快速有效地诱导为具有功能性突触的神经细胞。在这个细胞诱导过程中，细胞直接转分化为目的细胞，不用经历干细胞的中间状态。2012年，Lujan等[20]以Sox2-EGFP转基因小鼠的成纤维细胞为靶细胞，转入11个在神经祖细胞里高表达的转录因子，通过缩减筛选因子的方法，最终确定3个转录因子-Sox2、FoxG1、Brn2能够重编程靶细胞为多能性神经祖细胞，在体外分化为星形胶质细胞、少突胶质细胞和少量成熟的神经元。转分化技术为体外直接获得大量神经细胞奠定了基础，不仅提高了目的细胞的获得率，而且简化了实验流程，降低了成本，为后续的个性化药物筛选以及细胞治疗开拓了新的途径。

另外，iPSC存在一定致瘤几率[21]，主要原因有以下两点：①制备iPSC所使用的核心转录因子之一c-myc已经被证明是成癌基因；②通过病毒转染的方法引入外源基因，基因片段会随机插入细胞基因组中，可能引发细胞癌变。因此，iPSC的临床应用首先应该严格控制其致瘤风险。2013年，Hou等[22]利用4个化学小分子将小鼠成纤维细胞诱导为化学诱导性多能干细胞(CiPSC)。由于在这项重编程实验过程中只使用了安全性的化学小分子，没有外源基因的插入，所以从理论和实践上均不存在致瘤风险。Xiang等[23,24]利用8个化学小分子将患有家族遗传性AD病人来源的皮肤细胞重编程为有功能的神经细胞。

综上所述，利用 iPSC 技术治疗 AD 的研究已经初步取得成果，进一步加深了我们对AD 的认识和治愈 AD 的信心。尽管iPSC在AD模型构建和治疗上仍然存在一些问题与挑战，同时细胞治疗面临的伦理问题持续存在，但是，我们仍然倡导加速推动iPSC技术治疗AD的临床研究，这就需要进一步提高其临床治疗的安全性，降低移植治疗的意外风险，更需要科学家和临床工作者提供大量实验数据和临床数据的支持。总之，运用iPSC技术治疗各类细胞及组织顽疾是大势所趋，在功能性治愈阿尔茨海默病的道路上，必将扮演至关重要的角色。

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唐兴江(E-mail：3161946txj@163.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2016.27.036

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1002-266X(2016)27-0101-03

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