小鼠中枢神经系统外存在源自神经上皮的多能神经干细胞

2025-04-29 Tue
背景介绍长期以来，科学界普遍认为哺乳动物的神经干细胞（Neural Stem Cells, NSCs）仅存在于中枢神经系统（Central Nervous System, CNS）中，尤其是大脑的特定区域，如海马齿状回（dentate gyrus）和侧脑室附近的脑室下区（subventricular zone）。这些区域的NSCs在成年后仍能持续生成新的神经元，这一过程被称为神经发生（neurogenesis）。然而，关于NSCs是否存在于中枢神经系统之外，尤其是外周神经系统（Peripheral Nervous System, PNS）中，一直存在争议。
外周神经系统主要由神经嵴细胞（Neural Crest Cells, NCCs）发育而来，而神经嵴干细胞（Neural Crest Stem Cells, NCSCs）被认为是外周神经系统中的主要干细胞类型。NCSCs与CNS中的NSCs在基因表达和分化潜能上存在显著差异，且其自我更新能力有限。因此，传统观点认为NSCs仅存在于CNS中，而PNS中的干细胞主要是NCSCs。
然而，这一传统观点在近年受到了挑战。一些研究表明，某些外周组织可能含有具有NSC特性的细胞，但这些研究未能提供充分的证据证明这些细胞确实具有NSC的特征。为了进一步探索这一问题，来自Max Planck Institute for Molecular Biomedicine、University of Hong Kong等机构的研究团队开展了一项突破性研究，旨在揭示外周神经干细胞（Peripheral Neural Stem Cells, PNSCs）的存在及其功能。
研究来源这项研究由Dong Han、Wan Xu、Hyun-Woo Jeong等多名科学家共同完成，研究团队来自多个国际知名研究机构，包括Max Planck Institute for Molecular Biomedicine、University of Hong Kong、University of Luxembourg等。研究结果于2025年4月发表在Nature Cell Biology期刊上，题为《Multipotent neural stem cells originating from neuroepithelium exist outside the mouse central nervous system》。
研究流程与结果1. 外周神经干细胞的发现与分离研究团队首先尝试通过低pH处理（low-pH treatment）从小鼠胚胎肢体细胞和成年肺细胞中诱导出NSC样细胞。尽管最初未能成功诱导出多能干细胞，但在特定培养条件下，研究人员意外地获得了具有NSC特征的细胞群。这些细胞被命名为“胚胎肢体低pH NSC”（Embryonic Limb Low-pH NSCs, ELLNSCs）和“成年肺低pH NSC”（Adult Lung Low-pH NSCs, ALLNSCs）。
为了验证这些细胞是否确实具有NSC的特性，研究人员对其进行了多项检测，包括细胞形态、自我更新能力、分化潜能、基因表达谱和表观遗传特征的分析。结果显示，ELLNSCs和ALLNSCs与大脑来源的NSCs在多个方面高度相似，且能够分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞等神经细胞类型。
2. 无低pH处理的外周神经干细胞分离为了进一步确认外周组织中是否存在内源性的NSCs，研究人员在不进行低pH处理的情况下，直接从胚胎肢体、成年肺和出生后尾部组织中分离出NSC样细胞。通过使用表达NSC特异性标记物nestin的转基因小鼠（nes-gfp小鼠），研究人员成功从成年肺和尾部组织中分离出GFP+的NSC样细胞。这些细胞同样表现出与大脑NSCs相似的自我更新能力、分化潜能和基因表达模式。
3. 外周神经干细胞的多能性验证为了验证PNSCs的多能性，研究人员将这些细胞在体外分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞，并将其移植到新生小鼠的大脑中。结果显示，移植后的PNSCs能够在大脑中存活并分化为成熟的神经元和胶质细胞，且未观察到肿瘤形成。此外，通过遗传标记实验，研究人员排除了移植细胞与宿主细胞融合的可能性。
4. 外周神经干细胞与神经嵴干细胞的区别为了确定PNSCs是否来源于神经嵴细胞，研究人员对PNSCs和NCSCs进行了比较。结果显示，PNSCs表达NSC特异性标记物（如Sox2和Olig2），但不表达NCSCs特异性标记物（如Sox10和p75）。此外，PNSCs在分化后主要生成神经元和胶质细胞，而NCSCs则难以分化为神经元，且分化后的细胞仍表达p75。这些结果表明，PNSCs与NCSCs在基因表达和分化潜能上存在显著差异。
5. 外周神经干细胞的起源通过遗传追踪实验，研究人员发现PNSCs来源于神经上皮细胞（Neuroepithelial Cells, NECs），而非神经嵴细胞。使用Sox1-cre小鼠进行标记实验，研究人员发现PNSCs在胚胎发育早期从神经管迁移出来，并在外周组织中定居。这些PNSCs在胚胎和出生后发育过程中能够分化为成熟的神经元和有限的胶质细胞。
6. 外周神经干细胞的分子特征为了进一步揭示PNSCs的分子特征，研究人员对成年大脑和出生后尾部组织中的Sox1+细胞进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）。结果显示，尾部组织中的Sox1+细胞与大脑中的NSCs在基因表达上高度相似，且这些细胞在出生后仍保持神经发生的潜力。此外，PNSCs与其他组织驻留干细胞（如肺AT1和AT2干细胞）在分子特征上存在显著差异，表明PNSCs是一类独特的NSCs。
研究结论与意义这项研究首次证实了外周神经干细胞（PNSCs）的存在，并揭示了其与中枢神经干细胞（NSCs）在多个方面的相似性。PNSCs来源于神经上皮细胞，而非神经嵴细胞，且能够在胚胎和出生后发育过程中分化为神经元和胶质细胞。这一发现不仅挑战了传统观点，还为神经再生治疗提供了新的可能性。
科学价值与应用前景挑战传统观点：该研究打破了长期以来认为NSCs仅存在于CNS中的传统观点，揭示了PNSCs在外周神经系统中的存在与功能。
神经再生治疗：PNSCs的发现为神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病）和脊髓损伤的治疗提供了新的细胞来源。与CNS中的NSCs相比，PNSCs更容易获取，且具有相似的再生潜力。
发育生物学：该研究为理解神经系统的发育提供了新的视角，揭示了神经上皮细胞在外周神经系统形成中的重要作用。
研究亮点首次发现外周神经干细胞：该研究首次证实了PNSCs的存在，并详细描述了其与CNS中NSCs的相似性。
创新的实验方法：研究团队通过低pH处理和遗传标记实验，成功分离并验证了PNSCs的存在与功能。
多学科合作：该研究结合了发育生物学、分子生物学和单细胞测序技术，为PNSCs的发现提供了多层次的证据。
总结这项研究不仅为神经科学领域带来了新的突破，还为神经再生治疗提供了新的思路。未来，进一步研究PNSCs在人类中的存在及其在疾病治疗中的应用，将具有重要的科学和临床意义。