2022牛磺酸促进神经干细胞增殖分化的相关机制研究进展全文.docx

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1、2022牛磺酸促进神经干细胞增殖分化的相关机制研究进展(全文)牛磺酸是为数不多的不能合成蛋白质的氨基酸，是大脑、视网膜、肌肉等组织中含量最丰富的氨基酸之一1。由于胎儿-新生儿自身合成牛磺酸的能力极弱，只能依赖外源性补充，故牛磺酸被认为是胎儿-新生儿的必需氨基酸。牛磺酸有广泛的生物学作用，如改善记忆与认知功能、防治心血管疾病、促进脂类消化吸收、改善内分泌状态、增强免疫功能、改善糖代谢及维持正常生殖功能等1。牛磺酸还与中枢神经系统的多种功能密切相关,如促进胎儿脑组织发育和远期智力发育、神经保护、提高神经传导及视觉机能等2。近期研究表明，牛磺酸还可作为一种营养及保护因素，促进大脑神经干细胞(neur

2、al stem cell r NSC )的增殖、分化、成熟和存活。现就牛磺酸促进NSC增殖分化及相关机制的研究进展综述如下。一、牛磺酸的来源及分布牛磺酸在哺乳动物体内通过吸收、合成、储存和排泄等过程维持动态平衡4o牛磺酸在体内大部分经肠道吸收，小部分可由蛋氨酸/半胱氨酸在肝脏合成，中枢神经系统也能合成极少量牛磺酸。由于新生哺乳动物体内不能合成足量牛磺酸，只能依靠饮食供应，因此，牛磺酸通常被称为半必需”氨基酸。牛磺酸在哺乳动物体内通过小肠刷状缘膜上Na+-CI-依赖通道、牛磺酸转运载侬 taurine transporter zTauT 汲H+/氨基酸转运蛋白 1( H+/aminoacid t

3、ransporter 1 , PAT1 ）吸收，并分布到全身各组织细胞中4,且主要由TauT转移至大脑细胞内5。牛磺酸在组织中的浓度一般为5-50mmol/L ,其中,以代谢活跃的组织中的含量较高。例如，骨骼肌牛磺酸含量占体内牛磺酸总量的70%，是体内牛磺酸含量最多的组织。牛磺酸也是大脑中含量最丰富的氨基酸之一5。研究发现，尽管不同物种各个组织中牛磺酸含量不同，但是牛磺酸在发育中的脑组织内的含量高于成熟脑组织35倍，而其他组织没有这种变化，表明牛磺酸与大脑发育密切相关5-6。哺乳动物体内缺乏分解牛磺酸的酶，故牛磺酸不能在体内分解代谢,而直接通过肾脏，或以结合胆汁酸的形式通过肠道排出。当牛磺酸摄

4、入量偏高时，人体可通过增加肾脏和肠道中胆汁酸的排泄等方式，维持体内的动态平衡4。二、牛磺酸对脑发育的促进及其对脑的保护作用牛磺酸不足会导致新生猫小脑和视皮质细胞分裂、迁移延迟，新生猴视皮质异常、神经元迁移延迟和脊髓锥体细胞分化异常6。尽管目前对牛磺酸缺乏导致大脑发育受损的机制尚不清楚，但已证实牛磺酸能够优化大脑发育，介导大脑的多种功能，如调节渗透压和细胞内外钙离子浓度、抗氧化应激反应，修饰蛋白质磷酸化，保护细胞膜稳定性，促进细胞迁移以及调节轴突的生长等6-7。通常认为，牛磺酸的神经保护作用是通过降低游离钙离子浓度以及抗细胞氧化应激实现的8,具体表现包括如下几个方面。第一，牛磺酸可以抑制各种钙通

5、道,如Na+/Ca2+泵、电压门控钙通道(如L-、N-和P/Q型通道)以及谷氨酰胺N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-asparticacidreceptor, NMDA受体)阻止Ca2+内流，同时开启反向交换Na+/Ca2+通道，使Ca2+移出细胞外、细胞内Ca2+水平降低，从而降低了谷氨酸导致的细胞兴奋性毒性。同时，牛磺酸作用于Na+/Ca2+通道，可以维持细胞膜的稳定性5。第二，牛磺酸的抗氧化作用主要是通过中和中性粒细胞的过氧化酶系统产生的次氯酸，抑制炎症介质，清除体内过多的自由基，增强抗氧化酶活性，抑制H2O2诱导的内质网应激反应等介导的8-9。第三，牛磺酸也可以通过调节

6、B淋巴细胞瘤2 B-cell lymphoma-2 ,Bcl-2 )基因等水平降低急性应激反应，降低Bcl-2和前凋亡蛋白Bcl-2相关X的蛋白质(diphenhydramine , BaX )增加的比例，从而减少脑细胞凋亡、增加神经细胞的活力。第四，牛磺酸可抑制Rho-ROCK信号通路活性、增强PKA-CaMK n/c-fos和PKA-CREB信号通路活性从而促进神经元增殖口011。胎儿生长受限可严重抑制胎儿脑功能和脑发育，并导致远期预后不良12-13,而牛磺酸可通过减少脑细胞凋亡、促进神经元增殖等多种途径促进脑发育,发挥神经保护作用14-16。三、牛磺酸对NSC增殖与分化的促进作用1 .

7、NSC的生物学特征：NSC具有分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞能力，能进行自我更新。1992年，Reynolds和Weiss17从成年小鼠脑的纹状体中首次分离出神经干细胞，其后在小鼠脊髓、小脑、嗅球、侧脑室和海马纹状体实质内也分离出NSCO Eriksson等18证实成人脑中同样存在NSC。NSC具有以下生物特性：(1 )自我更新：NSC通过对称分裂及不对称分裂等方式，保持NSC库的稳定性；(2)多向分化潜能：NSC可以向神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞分化(3 X氐免疫原性：NSC是未分化的原始细胞，不表达成熟的细胞抗原，不被免疫系统识别；(4 )组织融合性好：NSC可以与宿主的神

8、经组织良好融合，并在宿主体内长期存活。神经细胞的再生与其所处的微环境密切相关，若能提供适宜的微环境，神经细胞则能再生。由此提示，神经细胞不能再生可能是因为它们赖以生存的微环境受到破坏，无法支持神经元再生。细胞内微环境中的外源性信号和内部的遗传机制共同决定了 NSC的分化方向。目前NSC体外分离扩增和分化技术的建立，以及干细胞在不同的胚层之间横向分化的实现为各种神经系统疾病的治疗提供了新的策略19-20。通过对NSC生存的微环境的研究，如在培养基中加入牛磺酸，诱导内源性干细胞增殖分化，进行神经自我修复，可作为一种全新的生物学治疗方法21。2 .牛磺酸对NSC增殖的影响：相关研究表明，牛磺酸可以促

9、进胎鼠中脑、成年小鼠脑室下区(subventricular zone , SVZ )以及人类胎儿大脑中NSC的增殖22。该研究将上述3种组织保存在无血清的培养液中，同时加入维持NSC增殖的表皮生长因子(epidermal growth factor,EGF ),其中约有 1 %的组织细胞生存、增殖，并形成自由生长的球形细胞，即神经球。这种神经球由不同比例的NSC及神经祖细胞组成，其中主要为NSC。对这3种组织所培养出来的神经球进行培养，同时根据是否在培养基中加入牛磺酸，分为对照组及牛磺酸组，培养96 h后发现，牛磺酸组神经球的数量及大小增加；将神经球解体后进行细胞计数，发现经牛磺酸培养胎鼠中脑

10、、成年小鼠脑室下区及胎儿大脑的神经干细胞数量较对照组分别增加了 38%、120%和104%。为进一步探讨牛磺酸促进神经干细胞增殖的机制研究者对这3种组织的神经干细胞分别进行直接细胞计数台盼蓝染色）观察细胞坏死情况、分光度测定其活力、流式细胞术分析细胞凋亡情况，发现牛磺酸能够增加成年小鼠大脑NSC活力和减少其凋亡，表明牛磺酸可能通过降低细胞凋亡，增加细胞活力从而促进神经干细胞增殖。随后其对成年大鼠的NSC进行流式细胞分析（碘化丙咤染色），发现牛磺酸增加了成年大鼠神经干细胞在S期细胞的比例，降低了神经干细胞在G0/G1期的比例，但不影响细胞周期。表明牛磺酸能够促进NSC更快地进入细胞周期从而促进其

11、增殖。Ramos-Mandujano等23通过对胎鼠（小鼠）以及成年小鼠大脑进行BrdU染色，观察加入牛磺酸后对DNA的合成的影响,发现胎鼠（小鼠）以及成年小鼠大脑在培养基中加入牛磺酸后（牛磺酸组）较未添加牛磺酸组（对照组）分别增加了 37%及79%。其中BrdU表达增加最明显的是第1小时，持续1.5 h后达到高峰，可能与牛磺酸需一定时间才能与细胞发生反应有关。在去牛磺酸的培养基上继续培养96 h ,发现神经干细胞BrdU表达下降，可能与短时间加入牛磺酸不能维持细胞膜稳定以细胞膜表面的增殖受体的表达有关。目该研究发现，NSC在缺乏牛磺酸时，增殖约延迟12 h ,表明牛磺酸对于NSC增殖不是必需

12、的，但牛磺酸能够促进其增殖，这可能与牛磺酸促进NSC进入细胞周期有关23。为探讨不同浓度牛磺酸对NSC增殖及活力的影响，Hernandez-Benitez等24从3个15-16孕周的胎儿脑组织中提取新鲜的细胞样本，在含有人表皮生长因子和碱性成纤维细胞生长因子增殖培养基上培养，增殖成神经球后，分为对照组以及牛磺酸组。牛磺酸组加入不同浓度的牛磺酸（5、10和20mmol/L ），培养36 d后，将神经球分解成NSC计数。结果发现，牛磺酸处理组的NSC数量明显增加，且在10 mmol/L浓度培养的第4天，NSC增加最明显。分析表明，牛磺酸的浓度与神经干细胞增殖效应相关,在10 mmol/L时，牛磺酸

13、促进NSC增殖的效果最明显，为牛磺酸促进人类胎儿NSC增殖的最佳浓度。ReNcell VM为一种来自于人类胎儿大脑腹侧中脑的永生细胞系细胞,由于其高水平表达nestin以及Sox2 , 一直被认为是人类神经祖细胞，这种细胞可以作为研究人类NSC生理的有效工具。将ReNcell VM在含有不同浓度牛磺酸（5、10和20 mmol/L ）的培养基中培养25 d后，将细胞分离、计数，结果发现，5和10 mmol/L牛磺酸培养的第3天增殖效果最显著,ReNcell VM数目分别增加了 70%及59% ;而在20 mmol/L浓度下，细胞增殖不明显。直接细胞计数显示，该细胞一直处于存活状态，凋亡数可以忽

14、略不计，表明细胞活力不受培养时间以及添加牛磺酸的影响24 o3.牛磺酸对NSC分化的影响：NSC除能进行自我增殖外,还具有分化成终末期各种神经细胞的潜力。有体外研究证实，NSC可分化为星形胶质细胞、神经元和少突胶质细胞，其中星形胶质细胞是NSC分化最丰富的细胞类型,神经元所占比例较低25。Hern台ndez-Benitez等24在不同时间用免疫组织化学法观察B-m-tubulin阳性细胞的数量，评价NSC向神经元方向分化的能力。结果在培养基中加入牛磺酸后，神经元的数量从第5天开始增加，持续到12 5但根据牛磺酸浓度的不同，神经元每天增加的比例也不同其中第8天神经元数目分别增加了 119%、30

15、7%和238% ,因此认为，10 mmol/L牛磺酸培养8 d , NSC向神经元分化的能力最强。Hernandez-Benitez1 %的牛血清对人类以及大鼠的NPC进行培养。在该条件下，NSC主要分化成星形胶质细胞和神经元细胞。培养78d后，用免疫组织化学法评估分化细胞发现,GFAP阳性的星形胶质细胞占(89.61.3 ) % z p-m-tubulin和MAP2阳性的神经元细胞占(3.1 0.5洸 而加入牛磺酸的培养基中，上述细胞各自比例分别为(85.61.0洸及(10.20.8 ) %o这一结果表明，在分化过程中，加入牛磺酸能使神经元的分化比例增高。继续观察发现，MAP2和3m-tubulin和阳性神经元所占比例较前减少，考虑与牛磺酸影响降低有关。该研究进一步用其他培养基替代1%牛血清，继续研究显示，在抗坏血酸及空白培养基中，只有少数细胞存活；B27培养基中神经元的数量相对于1 %牛血清下降了 50% ;神经基质+B27培养基中，主要是神经元存活。同时,在加入牛磺酸的神经基质+B27