Microsoft PowerPoint - MA2H0301-施昀豆 Cell Replacement Therapy in Neurodegenerative Diseases神經退化性疾病的細胞替代

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1 Cell Replacement Therapy in Neurodegenerative Diseases 神經退化性疾病的細胞替代療法 演講者 : 施昀豆日期 :2015/01/10

2 Introduction 神經系統 Nervous system 神經元 ( Neurons) 運動神經元 (Motor neurons) 多巴胺神經元 (Dopaminergic neurons) 神經膠原細胞 (Neuralgial cells) 星狀細胞 (Astrocytes) 寡樹突細胞 (Oligodendrocytes) 微神經膠細胞 (Microglia) 室管膜細胞 (Ependyma cell) 許旺細胞 (Schwann cell)

3 神經幹細胞 (Neural stem cells) ((neural progenitor cells) 分化膠原前驅細胞)神經前驅細胞 (glial progenitor cells)

4 血腦屏障 (blood brain barrier;b.b.b.) 是指腦毛細血管阻止某些物質 ( 多半是有害的 ) 由血液進入腦組織的結構 血液中多種溶質從腦毛細血管進入腦組織, 有難有易 ; 有些很快通過, 有些較慢, 有些則完全不能通過, 這種有選擇性的通透現象使人們設想可能有限制溶質透過的某種結構存在, 這種結構可使腦組織少受甚至不受循環血液中有害物質的損害, 從而保持腦組織內環境的基本穩定, 對維持中樞神經系統正常生理狀態具有重要的生物學意義

5 血腦屏障的結構 腦毛細血管缺少一般毛細血管所具有的孔, 或者這些孔既少且小 內皮細胞彼此重疊覆蓋, 而且連接緊密, 能有效地阻止大分子物質從內皮細胞連接處通過 內皮細胞還被一層連續不斷的基底膜包圍著 基底膜之外更有許多星形膠質細胞的血管周足 ( 終足 ) 把腦毛細血管約 85% 的表面包圍起來 這就形成了腦毛細血管的多層膜性結構, 構成了腦組織的防護性屏障

6

7 Neuron Capillarie s Oligodendrocyt e Astrocyt e Ependyma cell Axo n Microglia

8 Nestin Gal-C GFAP & Tuj-1 GFAP & Tuj-1 圖一 神經幹細胞 ( 左上 ) 可分化成各種神經細胞, 包括各式各樣的神經元 ( 左下, 紅色 ), 也有許多神經膠原細胞 (neuroglial cells), 包括星狀細胞 (astrocytes)( 左下, 綠色 ), 寡樹突細胞 (oligodendrocytes)( 右上 ), 和微神經膠細胞 (microglia) 等

9 DIV 0d DIV 2d DIV 4d DIV 7d 圖二 神經幹細胞具有分化為各種神經細胞的能力, 並能進行自我更新, 且能分裂增殖的細胞

10 細胞療法的細胞來源 胚胎幹細胞 (embryonic stem cells)~ 來自於囊胚的內層細胞團, 是一種複效性幹細胞 (pluripotent stem cells) 成體幹細胞 ~ 是由成體各種器官或組織裡所 成體幹細胞 ~ 是由成體各種器官或組織裡所分離出來的幹細胞 例如 : 造血幹細胞 (hematopoietic stem cells) 以及間葉幹細胞 (mesenchymal stem cells) 皆可由骨髓 臍帶血 或成人週邊血液中分離出來

11 神經退化性疾病的細胞療法 阿茲海默症 (Alzheimer s disease) 的細胞治療 在 65 歲以上的年齡層占約 5% Alois Alzheimer 醫師在西元 1901 年提出 ~ 神經纖維束 (neurofibril) 短期記憶喪失 認知功能退步 注意力缺失 焦慮 情緒障礙 憂鬱 恐慌 睡眠障礙 偏執 妄想

12 在神經病理學上 1. 堆積在神經細胞的外部的乙型 - 澱粉樣蛋白斑 (beta amyloid plaque) 2. 堆積在神經細胞體中的神經纖維糾結 (neurofibrillary tangles) 3. 乙醯膽鹼系統 (cholinergic system) 的退化

13 治療藥物 1. 主要 ~ 乙醯膽鹼分解酶抑制劑 (cholinesterase inhibitors), 包括 tacrine donepezil rivastigmine galantamine 2. 其他 ~ 抗氧化劑 單胺氧化酶抑制劑 (monoamine oxidase inhibitor) 抗發炎藥物 雌激素或銀杏等 3. 發展 ~ 褪黑激素 (melatonin) NMDA 阻斷劑 ( 如 memantine) 神經成長因子 (nervegrowth factor) 治療等

14 細胞移植 1. 在動物實驗中 ~ 將胚胎細胞植入乙醯膽鹼細胞受損的鼠腦中, 八週後去測定動物的行為, 可看到受損鼠的認知功能明顯改善 2. 問題 ~ 幹細胞的來源 組織製備的方式 所需的細胞量 如何讓輸入的幹細胞長期存活 3. 最近國內的研究 ~ 利用顆粒性白血球群落刺激因子 (granulocyte colony-stimulating factor, G-CSF), 活化骨髓內的內源性造血幹細胞, 可改善阿茲海默症實驗鼠的認知與記憶功能

15 巴金森氏症 (Parkinson disease) 的細胞治療 常見的症狀 ~ 震顫 (tremor) 僵直(rigidity) 動作緩慢 (bradykinesia) 姿勢或步態不穩 在六十五歲以上的老年人中, 發生率大概是百分之一

16 在神經病理學中 ~ 1. 會出現細胞內的包含體 (inclusion body), 稱為 Lewy bodies 2. 在黑質緻密部 (substantia nigra pars compacta) 的多巴胺神經元也會消失 當巴金森氏症的第一個症狀出現時, 黑質緻密部的多巴胺神經元已經被破壞了 80%

17 藥物治療 ~ 多巴胺製劑及抗乙醯膽素劑等 左多巴 (levodopa) 是目前藥物治療的主流 副作用 ~ 療效減退 無法預測的運動功能波動 異動症 (dyskinesia) 等 基因治療 ~ 增加多巴胺的製造 ~ 如酪胺酸水解酶 (tyrosine hydroxylase) 芳香族胺基酸脫羧基酶 (aromatic L-amino acid decarboxylase) 和 guanosine triphosphate cyclohydrolase I

18 目前最可行的方式 ~ 使用腺病毒 (adenovirus) 或慢病毒 (lentivirus) 為載體, 最近在靈長類動物的研究顯示, 利用神經膠細胞衍生神經滋養因子 (glial cell-linederived neurotrophic factor, GDNF) 基因來做基因治療, 能恢復黑質中多巴胺細胞的活性, 可以有效地保護神經元, 及促進帕金森症的痊癒

19 細胞療法 ~ 置入能產生多巴胺的細胞去取代已凋亡的部份 1. 取用胎兒的中胚層細胞來植入 2. 幹細胞的移植 1) 合乎倫理 2) 有效取得幹細胞的方式 3) 提高植入細胞的存活率

20 幹細胞移植在亨丁頓舞蹈症 (Huntington s disease) 所扮演的角色 是一種體染色體顯性遺傳的疾病 肇因於第四對染色體內的亨丁頓舞蹈症基因 (IT-15) 其去氧核醣核酸基質之 CAG 三核苷酸重複序列過度擴張, 此段 CAG 轉錄的胺基酸是多麩胺酸 (polyglutamine), 過多的多麩胺酸會產生細胞毒性, 進而導致腦部神經細胞退化或死亡

21 大腦紋狀體中的尾狀核 (caudate nucleus) 退化, 導致相關的神經傳導出問題, 進而影響患者行動, 疾病進展到後期整個大腦和小腦都會呈現明顯萎縮 此病的遺傳模式具有極高的前發現象 (anticipation), 也就是 下一代患者總是比上一代患者較早發並且較嚴重, 若異常基因來自於父親, 此 前發現象 會更明顯

22 CAG 的重複次數與發病年齡有關, 亨丁頓舞蹈症依發病年齡可分成成人型 ( 發病年齡約在 30 至 50 歲之間 ) 與少年型, 少年型患者在二十歲以前就會發病, 其體內 CAG 重複序列的擴張次數更多 主要的運動症狀為四肢 軀幹或臉部會出現不自主且不規律的動作, 看起來就像是在跳舞一樣, 情況嚴重的話會影響到走路及平衡, 導致病人動作極度不協調並易跌倒

23 語言失調或吞嚥功能變差也是常見的現象 患者會出現智力減退與認知功能減退, 並出現各種精神症狀如憂慮 易怒或人格行為改變 少年型患者發病初期較常以精神症狀尤其是憂鬱症表現, 接著才出現肌肉失張或僵硬等動作異常 患者多在發病後 10 至 30 年死亡, 末期最常導致患者死亡的原因為感染 跌倒或其他併發症

24 目前亨丁頓舞蹈症無法被治癒, 藥物治療只能減緩情緒或動作的症狀, 並不能終止腦部的退化 神經幹細胞移植 ( 老鼠 ) 1. 靜脈注射大腦的紋狀體病變處 2. 經過特殊處理的人類胎兒神經幹細胞 直接注射入 紋狀體病變處

25 藉由手術直接將人類胎兒的神經幹細胞移植入亨丁頓舞蹈症病人腦內 問題 ~ 1. 胎兒細胞能否長期存活 2. 是否能順利分化成神經細胞發揮功效並產生臨床進步 3. 移植排斥

26 另外 ~ 1. 硬腦膜下出血 2. 移植細胞不正常增生而形成腫瘤 3. 人類胎兒細胞的來源問題 4. 移植人類胎兒細胞所牽涉的道德問題 最近, 科學家發現成人的腦中也有許多神經 幹細胞 自體移植 可以解決 ~ 1. 排斥問題 2. 細胞來源 3. 道德的爭議

27 血液幹細胞移植在腎上腺腦白質失養症 (adrenoleukodystrophy) 所扮演的角色 最廣為人知的退化性腦白質病變即為腎上腺腦白質失養症 是一種罕見的性聯遺傳過氧化小體疾病 盛行率約兩萬分之ㄧ至五萬分之ㄧ 其缺陷基因為位於 X 染色體上的 ABCD1 基因 約九成患者的基因缺陷是由遺傳而來 其餘則是新發生的突變所致

28 ABCD1 的基因缺陷 會使得 細胞內的過氧小體 (peroxisome) 無法正常代謝超長鏈脂肪酸 (very long-chain fatty acids) 而導致致超長鏈脂肪 在病人成長過程中, 逐漸出現神經及腎上腺的症狀 因此 酸異常沈積於腎上腺及腦白質

29 腎上腺腦白質失養症的臨床表現非常多樣, 從輕型的腎上腺機能不足至嚴重的兒童大腦型白質脫髓鞘病變都有可能, 發病年齡也不盡相同 典型兒童大腦型腎上腺腦白質失養症 ~ 1. 多半在幾年內, 進展成為植物人 2. 平均發病年齡為 7 歲 其症狀表現 功課退步記憶減退語言理解能力下降個性改變不等進而語言能力喪失行動自主能力喪失

30 患者典型的腦部磁振造影變化 ~ 1. 兩側顳 - 枕區之白質脫髓鞘現象 2. 血清中的超長鏈脂肪酸濃度也會明顯升高 對這些患者與其家族其他成員進行血清超長鏈脂肪酸與基因檢測是非常有幫助的, 常常可以藉此找出尚未有臨床症狀的患者或帶原者, 進而提供產前遺傳諮詢

31 羅倫佐油 (Lorenzo s Oil) 1. 是目前最普遍被採用的飲食治療法, 早期飲食治療或許在早期可預防或延緩疾病症狀的發生 2. 證據顯示羅倫佐油對腦部超長鏈脂肪酸之堆積的改善效果有限, 無法治療已經產生的神經病變, 對成年患者也不具療效

32 造血幹細胞的移植 來源 ~ 1. 骨髓 2. 臍帶血 若不進行移植, 患者多在發病後二到五年內死亡 然而移植成功率只有約六成左右, 另有二至三成的機率在手術後會出現排斥現象, 甚至死亡 大部分的移植患者死亡是由於疾病本身進展所致

33 只對早期尚未出現嚴重神經症狀的病人有幫助, 對於已有明顯神經症狀的晚期病患, 造血幹細胞的移植成效可能不大 一般會對有症狀的腎上腺腦白質失養症患 一般會對有症狀的腎上腺腦白質失養症患者進行魏氏智力測驗與腦部核磁共振病變嚴重度 (Loes score) 的評估, 若智力測驗大於八十分且 Loes score 小於九分的患者才會建議進行造血幹細胞的移植

34 雖然目前對於造血幹細胞的移植終止疾病進展的詳細機轉並不清楚 長期追蹤移植成功的腎上腺腦白質失養症病童 1. 其腦部的脫髓鞘現象大多會有明顯改善 2. 有一半以上的病患血清超長鏈脂肪酸會下降甚至恢復正常 3. 臨床的神經症狀也會停止惡化

35 一般腎上腺腦白質失養症的病童在被正確診斷時通常都已經有明顯的神經症狀, 因此多半已不適合採用移植治療 對這些病童的兄弟進行血清超長鏈脂肪酸檢測早期發現無臨床症狀的病童 這些血中超長鏈脂肪酸明顯升高的孩童只有約四成會在兒童期發病, 其餘六成並不會在兒童期發病

36 若這些無症狀孩童的腦部核磁共振並無脫髓鞘現象, 造血幹細胞的移植的壞處多過好處, 因此並不適合在此時進行造血幹細胞的移植 腦部已有脫髓鞘現象但尚無臨床神經症狀的病童是最適合進行移植且預後最佳的一群

37 幹細胞移植在異染性白質退化症所扮演的角色 異染性白質退化症 (metachromatic leukodystrophy) 也是很重要的退化性腦白質病變 是一種罕見的體染色體隱性遺傳疾病 發生率約十二萬分之ㄧ 其基因缺陷位於染色體 22q13.31

38 此基因所轉譯的蛋白質是一種酵素 Arylsulfatase A( 簡稱 ASA) 異染性白質退化症是因為基因缺陷導致 ASA 酵素缺乏, 所導致神經退化性疾病 父母若各帶有一個缺陷基因, 則子女有四分之ㄧ的機率得病, 二分之ㄧ的機率成為帶有缺陷基因的帶原者, 男女得病機率相同

39 ASA 酵素位於細胞的溶酶體 (lysosome) 內, 是酵素 cerebroside sulfatase 的兩大組成份之ㄧ, 另一部分為 sphingolipid activator protein(sap-1) 若 ASA 酵素缺乏, 將無法分解 sulfatide 成 cerebroside, 而導致 sulfatide 堆積在中樞神經與週邊神經系統, 引起神經去髓鞘化, 而出現神經退化性症狀

40 會使得 造成 基因變異位置不同 ASA 酵素殘餘活性不同發病時間不同 臨床上可分成三型 : (1) 嬰兒晚期型 (late infantile form): 此型最常見, 通常在六個月至兩歲發病, 出現進行性的運動行為與精神障礙 痙攣及失明, 發病數年後死亡 (2) 青少年型 (juvenile form): 似嬰兒晚期型, 但通常在四至十二歲發病, 疾病進展較前者緩慢, 病程較長 (3) 成人型 (adult form): 自青少年至老年期皆有可能發病, 通常以精神症狀為主

41 發病前 ~ 1. 沒有活力 2. 肌肉與張力失調 3. 走路不穩 4. 語言障礙 5. 成績退步 接下來數年會相繼出現 ~ 1. 痙攣 2. 四肢癱瘓 3. 癡呆 4. 週邊神經病變

42 實驗室檢查常 ~ 1. 腦脊髓液中的蛋白質量增加 2. 周邊神經傳導速度嚴重變慢 3. 腦部核磁共振檢查為可見腦白質去髓鞘化與萎縮現象 確定診斷則必須依靠測定患者體內白血球 血清或皮膚纖維母細胞的 ASA 酵素活性分析

43 骨髓移植 ~ 1. 減緩甚至終止某些嬰兒晚型或青少年型異染性白質退化症患者神經症狀的退化 2. 血中 ASA 酵素濃度也有輕微上升 3. 腦部核磁共振病變也停止惡化 暗示移植的幹細胞可以通過血腦屏障進入中樞神經並發揮功用, 但其詳細的機轉仍不明 而且骨髓移植對嚴重酵素缺乏或已出現嚴重神經症狀的異染性白質退化症患者並無臨床效益

44 造血幹細胞的移植 ~ 目前唯一認為可以預防或減緩溶酶體儲積症 ( 包括異染性白質退化症 ) 病人神經退化的方法 為了改善造血幹細胞的移植成效, 醫學界近年結合基因治療方法 試圖將經過修飾的 ASA 基因 移植入 藉由 異染性白質退化症動物體內 造血幹細胞

45 經過改造的 ASA 基因會過度表現並製造 ASA 酵素轉殖入藉由各種病毒載體將此基因造血幹細胞然後將幹細胞移植入 ASA 基因剔除鼠 (ASA knockout mice) 等動物體內 起初的動物試驗顯示移植的幹細胞主要在肝或腎等器官發揮功效, 卻較難通過血腦屏障進入大腦, 因此對神經退化的症狀改善有限

46 最近 ~ 某些動物試驗顯示移植的幹細胞經過處理大部份分化成巨噬細胞與微神經膠細胞, 會通過血腦屏障進入大腦, 而且這些細胞在已被傷害的病變處會更顯著聚集, 因此帶有目標基因的幹細胞可以更有效率的在病變處大量製造 ASA 酵素, 使試驗動物神經退化症狀顯著改善 也有學者以胚胎幹細胞為來源進行基因轉殖, 證實在動物體內也可以顯著提高幹細胞到達大腦的效率並過度表現

47 運動元疾病的再生治療 運動神經元 (motor neurons) 分成 上運動神經元 下運動神經元 位在大腦 症狀 ~ 1. 肢體無力 2. 深部肌腱反射增強 3. 初期肌肉不會明顯的萎縮 則位在腦幹及脊髓 症狀 ~ 1. 肢體無力 2. 深部肌腱反射減弱 3. 會有明顯的肌肉萎縮

48 臨床上如病變侵犯到下運動神經元而沒有上運動神經元的症狀 稱為漸進性脊髓肌肉萎縮症 (progressive spinal muscular atrophy) 病人主要臨床表現是 ~ 1. 四肢及軀幹肌肉萎縮 2. 肌無力 3. 肌束顫動 (fasciculations)

49 第二種類型則以延髓症狀為主 稱為漸進延髓無力症 (progressive bulbar palsy) 臨床上可觀查到 ~ 1. 舌頭萎縮 2. 舌的邊緣會有鋸齒般的凹痕 3. 舌頭會肌束顫動 4. 上顎無力及咽喉部運動不靈活 5. 病患以吞嚥 咀嚼困難來表現

50 第三種則是肌萎縮性側索硬化症 (amyotrophic lateral sclerosis) 以侵犯四肢 軀幹及延髓的上下運動元為主要表現 大部份成人都屬於這類 由症狀發生至死亡大約是 3 年 存活的年限和受侵犯的部位有相關, 如果一開始便侵犯吞嚥及呼吸功能的患者, 因為容易產生吸入性肺炎, 其預後自然要比只侵犯上下肢的病人預後來得差

51 發生率 ~ 大約是每十萬人口中每年約有 2 個新病例產生 盛行率 ~ 大約是每十萬人口中有 6 個 男性罹患此病的機會大約是女性的 1.5 倍 病人平均發病年齡約 55 歲 另外發現其中 5-10% 的病人有家族遺傳傾向 肌萎縮性脊髓側索硬化症是一種無法治癒的神經退化性疾病, 也就是俗稱的漸凍人症

52 以人類胚胎幹細胞移植治療運動神經元疾病的實驗鼠 1. 功能上的進步 2. 沒有伴隨成功的運動神經元的分化現象 把胚胎幹細胞 成功的誘導分化成 運動神經元 注射於 間質幹細胞肌萎縮性脊髓側索硬化症患者的胸椎部位長期追蹤四年後顯示有部份個案在肺功能功能惡化上有減緩現象

53 Conclusion 神經幹細胞移植 有許多問題需要解決 ~ 1. 幹細胞的來源問題 2. 倫理上的問題 3. 幹細胞的製備方式 4. 所需的劑量 5. 長期療效 6. 人體試驗中所輸入的幹細胞無法長期存活 7. 是否有形成腫瘤的可能

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