综述：基于细胞的再生和年轻化策略治疗神经退行性疾病

《Stem Cell Research & Therapy》：Cell-based regenerative and rejuvenation strategies for treating neurodegenerative diseases

这篇综述聚焦神经退行性疾病，深入剖析细胞衰老在其中的作用机制（如衰老细胞积累、SASP 影响等），介绍 “R3”（rejuvenation、regeneration、replacement）细胞治疗策略，涵盖干细胞疗法、直接谱系重编程和部分重编程，探讨其应用前景与挑战。

　　### 细胞衰老与神经退行性疾病的关联
神经退行性疾病（如阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）和肌萎缩侧索硬化症（ALS）等）严重影响生活质量并带来社会负担。细胞衰老在这些疾病中扮演关键角色，多种脑细胞在疾病进程中会出现衰老相关变化。

1. 神经元：神经元再生能力有限，易受衰老损伤。以往认为神经元因处于终末分化状态而不会衰老，但新研究表明，氧化应激和 DNA 损伤等因素可使其进入衰老状态。例如，与 PD 相关的 DNA 结合蛋白 SATB1 缺失，会激活多巴胺能神经元的细胞衰老转录程序。衰老神经元会积累，出现细胞周期停滞、促炎分泌表型和蛋白稳态改变等特征，加剧神经炎症和氧化应激，导致认知能力下降和神经元变性 。
2. 神经胶质细胞：神经胶质细胞包括小胶质细胞和星形胶质细胞，是中枢神经系统（CNS）的重要组成部分，对神经退行性疾病的发病机制有重要影响。在 PD 中，黑质和纹状体的反应性小胶质细胞增多，伴随促炎细胞因子水平升高，引发慢性神经炎症，加速神经元损伤。星形胶质细胞过去被认为仅起支持作用，现在发现它参与多种 CNS 功能。衰老的星形胶质细胞会出现形态、反应性改变，为神经元提供代谢支持的能力下降，还会影响血脑屏障（BBB）的完整性，其积累与认知能力下降有关 。
3. 其他细胞：少突胶质细胞、周细胞、神经干细胞（NSCs）和内皮细胞等的衰老也都与神经退行性疾病相关。少突胶质细胞对维持神经元健康和功能很重要，其衰老会导致慢性炎症、氧化应激和中枢神经系统脱髓鞘。周细胞位于神经血管单元，衰老的周细胞会影响 BBB 完整性和脑血流。NSCs 对大脑功能维持至关重要，AD 相关的淀粉样蛋白 -β（Aβ）会加速其衰老；而通过 miR-302a 将人类成纤维细胞重编程为诱导神经干细胞（iNSCs），可改善 AD 模型的认知功能 。衰老的内皮细胞会导致内皮功能障碍，其分泌的促炎因子会破坏局部微环境，与神经退行性疾病的发生发展相关。

传统治疗面临的挑战

细胞衰老给神经退行性疾病的传统治疗带来诸多难题。衰老细胞的积累、抗凋亡特性和衰老相关分泌表型（SASP）会加剧神经退行性变，影响药物疗效。SASP 营造的促炎环境会干扰药物与靶点的相互作用，衰老细胞对药物的反应也不同，还会损害神经发生、破坏 BBB 和导致线粒体功能障碍 。细胞衰老会改变细胞膜通透性和转运蛋白功能，影响药物递送和摄取。虽然可利用衰老细胞高溶酶体 β - 半乳糖苷酶活性设计药物递送系统，但衰老细胞转运蛋白的变化仍会导致药物在细胞内分布改变，难以在靶点达到最佳浓度 。神经退行性疾病具有高度异质性，不同细胞类型的衰老表型不同，对治疗的反应也各异。此外，传统治疗往往缺乏长期疗效，如 ALS 的传统治疗药物仅能提供有限的生存益处，迫切需要创新治疗策略来解决细胞衰老和疾病进展的根本问题。

基于细胞的 “R3” 治疗策略

在再生医学中，“R3” 范式包括 rejuvenation（恢复现有细胞功能或逆转细胞衰老过程）、regeneration（利用干细胞或宿主修复机制刺激组织修复或再生）和 replacement（用功能性细胞直接替代丢失或受损的细胞） 。下面介绍基于细胞的 “R3” 策略在治疗神经退行性疾病中的应用。

1. 干细胞疗法：干细胞具有自我更新和分化为多种细胞类型的能力，基于此特性可分为全能干细胞、多能干细胞、多潜能干细胞和单能干细胞。在衰老或神经退行性疾病状态下，局部干细胞再生潜力下降，干细胞疗法成为有前景的治疗方法 。
   • 多能干细胞（PSCs）：PSCs 能分化为任何细胞类型，来源包括胚胎干细胞（ESCs）和诱导多能干细胞（iPSCs）。ESCs 来源于囊胚内细胞团，但存在伦理问题；iPSCs 通过转录因子或化学化合物重编程成年体细胞获得，避免了伦理问题，还可用于个性化治疗 。将 PSCs 诱导分化为神经元是干细胞替代疗法的关键。通过特定因子可将 PSCs 诱导为神经元祖细胞，进一步分化为特定神经元亚型，如用于治疗 PD 的多巴胺能神经元、治疗 AD 的胆碱能神经元和治疗 ALS 的运动神经元 。PSCs 疗法在 PD、AD 和 ALS 的治疗中展现出一定潜力。在 PD 的临床前研究和临床试验中，PSCs 来源的多巴胺能神经元移植可恢复运动功能；AD 动物模型研究表明，PSCs 疗法能减少病理变化、改善认知功能；ALS 小鼠模型研究显示，iPSC 来源的 NSC 移植可延长寿命、改善神经肌肉功能 。然而，PSCs 疗法面临一些挑战，如异常的 DNA 甲基化和组蛋白修饰会影响分化，存在致瘤风险，还可能引发免疫排斥，且移植的神经元在老化或退化的大脑中难以有效整合到现有神经网络 。
   • 间充质干细胞（MSCs）：MSCs 是多能基质细胞，可从骨髓、脂肪组织、脐带血和牙髓等多种组织中获取。不同来源的 MSCs 具有不同特点，如骨髓来源的 MSCs 研究广泛，脂肪组织来源的获取更方便，脐带来源的具有高增殖能力和免疫调节特性，牙髓来源的在神经退行性疾病治疗中展现出独特优势 。MSCs 具有分化为多种细胞类型的能力，还能通过分泌抗炎和神经营养因子及外泌体来减轻衰老、促进年轻化。在 AD、PD、ALS 和多发性硬化症（MS）的治疗中都有一定作用。例如，在 AD 模型中，MSCs 可减少淀粉样 β 斑块、改善认知功能；在 PD 中，能保护多巴胺能神经元、增强运动功能；在 ALS 和 MS 中，可减轻炎症和促进髓鞘再生 。不过，MSCs 疗法在衰老相关疾病治疗中也面临挑战，如需要确保长期安全性和疗效，制定标准化的分离、扩增和给药方案，还需进行大量临床试验以满足监管要求 。
   • 神经干细胞（NSCs）：NSCs 是多能细胞，可分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞，来源包括从胎儿或成人大脑组织中分离、从 PSCs 分化以及通过特定转录因子或化学化合物将体细胞直接重编程 。NSC 疗法在 R3 范式中主要促进再生和替代，通过产生新的神经元和神经胶质细胞来 rejuvenation 大脑。在 ALS、PD 和 AD 的动物模型研究中，NSC 疗法都显示出积极效果，如延缓疾病进展、改善神经功能等 。在临床研究中，NSC 移植在 ALS 和 MS 患者中显示出一定的安全性和可行性，但也存在一些潜在副作用，如急性神经功能恶化和中枢疼痛综合征等。此外，确保移植细胞的长期存活和整合、预防肿瘤发生以及明确 NSCs 与宿主脑组织的复杂相互作用仍是挑战 。
   • 干细胞疗法的潜在机制：干细胞疗法的作用机制包括神经元替代、神经发生、神经营养支持、抗神经炎症和线粒体转移等。通过这些机制，干细胞疗法可修复或替代受损神经元，促进神经再生，改善神经功能，延缓细胞衰老，维持神经元的功能完整性 。
   
   
2. 细胞重编程：细胞重编程为神经退行性疾病的治疗提供了新途径，包括直接谱系重编程和部分重编程。
   • 直接谱系重编程：直接谱系重编程又称转分化，是将一种分化细胞直接转化为另一种细胞，无需经过多能干细胞阶段。在神经科学领域，可将非神经元细胞直接转化为神经元，具有重要的研究和治疗应用价值 。遗传方法通过过表达特定转录因子（TFs）或微小 RNA 来诱导神经元身份，如 Ascl1、Brn2 和 Myt1l 组合可将成纤维细胞或肝细胞转化为功能性神经元；化学方法则利用化学鸡尾酒将非神经元细胞转化为神经元或神经干细胞 。直接谱系重编程可在体外或体内进行。体外重编程可产生多种神经元亚型，用于细胞替代疗法；体内重编程则通过在脑内将局部神经胶质细胞转化为神经元，避免了细胞递送的问题 。直接谱系重编程在 R3 范式中支持 “再生” 或 “替代”，可直接在损伤部位再生神经元，避免干细胞移植的一些挑战 。该方法避免了多能干细胞的致瘤风险，体内重编程有利于细胞更好地整合和发挥功能，还可用于创建个性化神经疾病模型 。但重编程存在不完全转化、难以整合到神经网络、效率低以及体内重编程可能导致肿瘤发生等问题 。
   • 部分重编程：部分重编程通过暂时激活 OSKM 因子（OCT4、SOX2、KLF4 和 c-MYC）来逆转细胞衰老效应，如端粒缩短、线粒体功能障碍和基因表达改变等，且不会使细胞完全转变为多能状态，从而降低致瘤风险 。在小鼠研究中，部分重编程在多种组织中展现出促进年轻化的潜力，可减少衰老迹象、改善组织再生和整体健康状况，延长老年小鼠寿命 。在神经退行性疾病治疗方面，部分重编程在脊髓、视神经、海马体和纹状体等脑区显示出一定效果，如恢复视觉功能、增加老年神经 genic niche 中的神经母细胞比例 。部分重编程的机制包括减少线粒体活性氧（ROS）、恢复 H3K9me 水平，使多种组织的转录组、脂质组和代谢组恢复到更年轻的状态 。虽然部分重编程在治疗神经退行性疾病方面有潜力，可促进神经元再生和神经保护，但也存在潜在风险，如致瘤性、不完全重编程、编码突变和细胞异质性等问题，在临床应用前需要进行充分的临床前和临床评估 。
   
   

治疗神经退行性疾病面临的挑战与未来方向

基于细胞的 “R3” 策略为神经退行性疾病的治疗带来希望，但仍面临诸多挑战。在衰老个体中，细胞移植后存活率和植入率有限，这与植入时的机械应力、细胞外基质丢失、营养和氧气缺乏以及宿主炎症反应等因素有关，且成年干细胞功能随年龄下降，影响再生治疗效果。此外，细胞治疗从实验室到临床的转化面临制造、监管、报销和临床应用等多方面的障碍 。虽然临床前数据显示出一定前景，但仍需通过临床试验确定这些治疗方法在人类神经退行性疾病中的安全性和有效性。长期随访对于检测潜在的迟发性不良反应至关重要，如部分重编程可能导致的肿瘤发生或表观遗传不稳定 。神经退行性疾病具有高度异质性，个性化医学至关重要。需要寻找生物标志物来预测患者对治疗的反应，如根据遗传特征、疾病阶段和细胞损伤水平为干细胞治疗选择合适的候选者，对直接谱系重编程和部分重编程也需进行类似评估 。“R3” 策略的开发和应用引发了监管和伦理问题。不同应用的监管要求复杂且缺乏明确指导，伦理问题包括对捐赠者的影响、iPSCs 的潜在风险（如异常分化或恶性转化）以及 MSCs 可能促进肿瘤生长等 。

尽管面临挑战，但 “R3” 策略仍为神经退行性疾病的治疗提供了有前景的方向。随着研究的不断深入、技术的进步和多学科的协作，有望克服这些障碍，为神经退行性疾病患者带来新的希望。