神经干细胞移植治疗阿尔茨海默病研究现状

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医学综述2011年10月第17卷第20期MedicalRecapitulate,Oct.2011,Vol.17,No.20

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神经干细胞移植治疗阿尔茨海默病研究现状

张新宇(综述),

付学锋

(审校)

(中国人民解放军兰州军区总医院干部病房三科,兰州730050)

中图分类号:R749.1 文献标识码:A 文章编号:1006-2084(2011)20-3067-04

摘要:神经干细胞(NSCs)治疗阿尔茨海默病(AD)可以修复和替代受损神经细胞,并重建细胞环路和功能。主要方法包括内源性途径,即诱导内源性NSCs增殖与分化,使损伤的中枢神经系统进行自我修复;外源性途径,即直接替代缺损组织或植入基因工程细胞,这一类细胞能分泌促进干细胞增殖与存活的因子。目前,用NSCs移植治疗人类AD的确切疗效还缺乏足够的证据,如何评价其对人类神经功能恢复所起的作用尚在研究中。

关键词:神经干细胞;移植;阿尔茨海默病;中枢神经系统

CurrentResearchStatusofNeuralStemCellsTransplantationforTreatmentofAlzheimerDisease ZHANGXin-yu,FUXue-feng.(DepartmentofCadreWardDivisionThree,LanzhouMilitaryGeneralHospitalofChinesePeople′sLiberrtionArmy,Lanzhou730050,China)

Abstract:Transplantationofneuralstemcells(NSCs)inthetreatmentofAlzheimerdisease(AD)isapromisingmethod,withabroadresearchandapplicationprospect.TherapyofADwithNSCsisaimedatre-pairingandreplacingthedamagednervecells,andthereconstructionofthedamagedcells.Mainmethodsin-clude:endogenouspathway,whichisinducedbyendogenousneuralstemcellproliferationanddifferentiation(self-repair),makingthedamagedcentralnervoussystemrepairitself;exogenousway,adirectreplacementofthedamaged/missingtissueorimplantationofgeneticallyengineeredcells,whichcansecretecytokinestopromotestemcellproliferationandsurvival.TheexacteffectofNSCstransplantationasthetreatmentofhu-manADisstilllackingsufficientevidence,andhowtoevaluateitsroleinthehumanneurologicalfunctionre-coveryisstillunderstudy.

Keywords:Neuralstemcells;Transplantation;Alzheimerdisease;Centralnervoussystem

胶质细胞,也可转化成血细胞和骨骼肌细胞。NSCs是具有分裂潜能和自我更新能力的母细胞,可以通过不对等的分裂方式产生神经组织的各类细胞。在脑脊髓等所有神经组织中,不同的NSCs类型产生的子代细胞种类不同,分布也不同。由于NSCs具有自我更新、多向分化、潜在迁移功能和良好的组织融合性等生物学特性,使其应用前景相当广泛,为研究脑功能的恢复带来崭新的希

[4]

近年来,干细胞研究已成倍增长,干细胞疗法的重要性之一是可能改善患者的生活状况

[1-3]

。因此,

望。1992年,Reynolds等首先报道了从成年小鼠纹状体分离出能在体外不断分裂增殖和具有多种分化潜能的细胞群,从而使科学家们对CNS是否存在NSCs进行了大量研究。研究表明,成年鼠的纹状体在表皮生长因子下进行离体培养后,可表达nestin细胞,并证实该细胞具有增殖能力,可分化为神经元与胶质细胞,这一发现确立了CNS神经元损伤是可再生的新理论。NSCs所具有的高度增殖和自我更新能力,在一定条件下通过对称性和非对称性有丝分裂,使细胞增殖并互相聚集成神经球。如在血清预培养条件下,可使NSCs增殖增强和互相聚集成神经球的速度加快。

根据分化潜能及产生子细胞种类不同,可将NSCs分为四类:①神经管上皮细胞。分裂能力最强,只存在于胚胎时期,可以产生放射状胶质神经元和神经母细胞。②放射状胶质神经元。可以分裂并同时产生神经元前体细胞或是胶质细胞,主要作用是幼年时期神经发育过程中产生投射神经元完成大脑皮质及神经核等基本神经组织细胞。③神经母细胞。成年人体中主要存在的NSCs可以分裂产生神经前体细胞和神经元以及各类神经胶质细胞。④神经前体细胞。各类神经细胞的前体细胞,如小胶质细胞是由神经胶质细胞前体产生的。根据部位

[8-11]

[2]

神经干细胞(neuralstemcells,NSCs)的治疗范围在不断扩大,目前已用于治疗的疾病有阿尔茨海默病(Alzheimerdisease,AD)、帕金森病、脑卒中(脑梗死、脑出血)、小脑萎缩症、脊髓损伤,脑萎缩、共济失调、脑外伤后遗症、运动神经元病、多发性硬化、面瘫、多

[4-6]

系统萎缩症、视神经萎缩等。存在于中枢神经系统(centralnervoussystem,CNS)的干细胞平时均处于静止状态,通过人为的方式激活后才能发挥作用。NSCs的研究热点主要集中在阐明其增殖、迁移和分化机制,以便更好地应用于临床。AD是一种进行性发展的致死性神经退行性疾病,表现为认知和记忆功能不断恶化,日常生活能力进行性减退,并出现各种神经精神症状和行为障碍。AD作为一种常见的老年变性疾病,其发病与年龄呈正相关,逐年增多的患病人数严重危害着老年人群的健康。NSCs移植作为治疗AD颇有前景的一种治疗方法,尽管临床应用还将面临着很多困难,但对其研究前景仍相当广阔。1 NSCs移植

1.1 特点和分类 NSCs是存在于成体脑组织中的一种干细胞,可分化成神经元、星形胶质细胞、少突

[3,5-7]

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可分为神经嵴干细胞和中枢NSCs。

1.2 作用机制 人类和哺乳动物的神经系统在发育过程中,NSCs是沿着发育索方向发生迁移的,而人工移植后的NSCs与正常发育相类似,同样具有迁移

能力。研究表明[12-14]

,受病变部位神经源性信号的影响,NSCs还具有向病变部位迁移特征,可分化为特异性细胞。NSCs不仅能促进神经元的再生和脑组织修复,而且通过基因修饰还可以用于神经系统疾病的基因治疗,表达外源性的神经递质,在一定的诱导条件下,可分化成临床所需的神经细胞,修复各种病理引起的神经元缺失和受损伤的神经胶质细胞。这些良好的特性,给人们带来攻克CNS退行性疾病的希望,而随着分离培养、体外扩增技术的日臻完善,使NSCs的临床应用成为可能。

神经系统的发育起始于胚胎早期的神经管和神经嵴,其中央管在发育的终末形成脑室系统和脊髓的中央管,管腔内面被覆的细胞为神经上皮,具有活跃的增殖和分化能力,在胚胎早期此区域称为脑室/脑室下区,而在成年后则称为室管膜/室管膜下区,在神经发生(neurogenesis)过程中起着举足轻重的作用。从哺乳动物胚胎期或成体神经系统中多个部位包括脊髓、大脑皮质、前脑基底层、海马区、神经嵴即外周神经系统及小脑等也可以分离出NSCs。海马齿状回颗粒细胞下区颗粒细胞层也可以找到NSCs[6-8]

,同时研究证明胚胎海马齿状回存在大量NSCs,它可以不断产生神经元并持续终生,是具有神经生发活动的少数区域之一。因此,离体海马的NSCs的分化和增殖可能为CNS损伤与变性疾病的研究与治疗提供新的途径[4-6,15-18]

。在哺乳动物的胚胎期,NSCs主要分布在大脑皮质、纹状体、海马、室管膜下层和中脑等区域,正常哺乳动物成年后,干细胞仍存在CNS,这些细胞可能长期处于休眠状态。自从在成人脑内发现存在NSCs后,研究NSCs增殖、迁移和分化机制已成为研究的重点。

在功能神经外科疾病神经系统损伤、坏死性疾病、肿瘤等领域开展NSCs移植治疗的相关研究已有

不少,研究的途径包括[1-3]

:①体外大量扩增NSCs后直接移植到损伤部位,或在体外将定向分化为所需的特定细胞后移植到宿主体内。②诱导激活内源性NSCs使其迁移和增殖分化来修复神经损伤。③把外源性基因导入NSCs,以表达传递营养因子、生长因子,从而阻止神经细胞变性坏死,或释放并补充所缺失的神经递质。

1.3 NSCs移植 对于某些难治性疾病,传统的药物治疗效果很差,用药只能是暂时性控制疾病,停药后症状复发甚至更为严重。现有药物不具备激活脑神

经细胞的功能是根本原因,要从根本上解决治疗脑病等神经系统疾病,唯一有效的方法只能是借助外界移植NSCs[11-13]

科学研究证明了NSCs的定向分化性,使修复和替代死亡的神经细胞成为现实。为了减少神经损伤的后遗症,延缓或抑制疾病的进一步发展,取得更好的恢复效果,从根本上修复和激活死亡神经细胞是十分必要的。NSCs是一群能自我更新并具有多种分化潜能的细胞,它来源于神经组织并可生成神经组织,在适当条件下可分化成神经元、少突胶质细胞和星形细胞。以往的观点认为,成年哺乳动物CNS的神经再生能力非常有限,而且随着年龄的增长,神经元数量会逐渐减少。然而,近20年的研究表明,成年哺乳动物CNS内神经仍可再生,目前已明确的部

位有海马齿状回、室管膜下区[12,13,19-22]

。已有研究发现,在缺血缺氧条件下位于室管膜下区、海马和脉络膜丛等部位的内源性NSC可发生增殖、迁移并分化为神经元和神经胶质细胞,因而提示CNS可通过自身内源性干细胞来修复,只是由于

条件不足而没有足够的新生细胞[1]

。最近的研究证实,这些原始NSC数量稀少,且处于静止状态,缺乏特异性形态、表面标志和分化抗原,至今也不能高度

纯化分离,很难克隆化[4]

。许多研究表明,NSCs移植物在宿主CNS内具有明显的生存、迁移和分化能力,由人胎脑分离的NSCs在植入胚胎或新生鼠脑内后,表现为在宿主脑内迁移并进行区域特异性分化,若将相同的人胎脑NSCs植入成年大鼠室管膜下区,它们沿吻侧迁移流迁移入嗅球,分化为双极神经元,其分化命运与存留于室管膜下区的内源性NSCs相同[5]

。从成年哺乳动物CNS分离的NSCs也具有较强的分化潜能,而决定NSCs分化命运的主要因素除局部微环境外,还包括NSCs的内在特性,如成年动物脊髓NSCs植入海马齿状回,能分化为神经元;若植入成年大鼠脊髓不分化为神经元[16]

,将从成年动物海马齿状回获得的NSCs植入成年大鼠室管膜下区或迁移流后,能分化为嗅球神经元;若植入成年大

鼠海马,则产生新的海马神经元[17-19]

。无论胚胎或成人NSCs,在移植入成人CNS非神经发生区后大部分都分化成神经胶质细胞。外源性CSN移植取得了令人鼓舞的成果。给局灶性缺血大鼠移植MHP36鼠干细胞,结果表明,移植的干细胞可增殖分化成神经元细胞,并能显著促进神经功能恢复。研究发现[19,20],静脉注射骨髓间质细胞可进入脑梗死后的脑实质,并促进新生血管形成。进一步的研究表明,移植的干细胞和骨髓间质细胞可通过分泌生长因子促进内源性神经元再生,促使神经功能恢复。给局

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[15]

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灶性脑缺血大鼠注射重组人粒细胞集落刺激因子,

[21]

动员自体骨髓造血干细胞。结果表明,脑实质内表达突触素和微管相关蛋白2的增殖细胞显著增内BDNF可减少脑缺血后的神经元死亡。

2.2 治疗前景 国内外的神经科学工作者已经使用NSCs移植技术对脑缺血性疾病、脑出血性疾病、加,神经功能缺损明显改善。除通过骨髓间质细胞机制外,是否还存在骨髓干细胞脑实质内转移有待进一步研究。

2 NSCs移植治疗AD

体外和体内研究已经确定在脊椎动物的CNS中存在多干能细胞。有丝分裂的多能细胞在体外培养可以增殖,从而为提高大脑中的细胞数量打下基础。重建患病或受伤的大脑细胞疗法的发展,有助于对CNS细胞类型的起源和稳定的理解,从而用来治疗某些疾病。

2.1 治疗现状 β淀粉样沉淀和神经元纤维缠结是AD的基本病理损害。全球人口的老龄化趋势促使AD发生率不断上升,探索新的治疗AD方法已经成

为众多学者的研究重点[23]

。AD是前脑基底部胆碱能神经元丧失导致认知功能进行性减退的一种病变。研究表明,将NSCs注入AD模型动物脑内,观察到胆碱能神经元表型和胶质细胞表型,并且实验动物认知功能恢复[12-15]

。有些研究以NSCs为载体,将胆碱乙酰基转移酶基因导入实验动物体内补充乙酰

胆碱递质,也取得了一定效果[14]

。由于NSCs在动物体内和体外适宜条件下可分化为神经元,并形成有功能的突触,提示NSCs有分化为特定神经元并形成功能性神经通路的潜能。将体外分化培养的NSCs移植入成年鼠隔区/斜角带核,发现NSCs整合人该组织核团,并检测到NSCs向星形胶质细胞和神经元方向分化,许多研究已经证实脑源性神经营养因子(brainderivedneurotrophicfactor,BDNF)对脑损伤具有神经保护作用。NSCs治疗AD的目的是修复和替代受损神经细胞,重建细胞环路和功能,其主要途径包括:内源性途径和外源性途径。多数研究认为,NSCs在体内的命运是由局部的微环境决定的,并且干细胞有能力对局部的生长分化信号作出反应。干细胞表达一些神经营养因子受体,局部环境能够促

进其分化[18-20]

。NSCs移植治疗神经退行性疾病代表了一种新的研究方向。

BDNF是神经营养因子家族的成员。虽然BDNF广泛分布在CNS、周围神经系统、内分泌系统、骨骼和软骨等领域,但主要还是在CNS中表达,同时BDNF及其受体在脑缺血时表达增加[21-24]

。应用体外培养的NSCs与BDNF联合治疗AD大鼠,结果发现可促进大鼠学习记忆能力的恢复,同时观察到海马胆碱能纤维再生。BDNF在体外可防止海马、纹状体、皮层神经元在低血糖、低血氧情况下变性,在体

CNS创伤、CNS慢性退变性疾病(AD、帕金森病和亨廷顿病等)以及CNS肿瘤等进行动物治疗试验并取得一定进展,为NSCs移植治疗AD提供了一个新的选择方案。

Lois等[12]

通过体外培养H-胸腺标记小鼠室管膜下层细胞发现,这些细胞可以分化为成熟的神经细胞和神经胶质细胞。将人胎儿全脑分离出的NSCs灌注入发育中的小鼠大脑后,这些被灌注的细胞能够替代小鼠小脑神经元退行性变性的神经元缺陷[24-27]

。移植的NSCs可以释放一些增殖刺激因子刺激宿主细胞内在的代偿机制,从而让更多的变性神经元恢复并存活。NSCs治疗AD的研究尚处于初级阶段,病理状态下AD是否会抑制外源性NSCs的增殖分化有待进一步研究和解决。

NSCs移植治疗脊髓损伤已有较多的报道,胚胎组织移植、NSCs移植、嗅鞘细胞移植以及转基因细胞移植等,这些方法各有自身优势,但在实践中均有自身无法克服的缺点[22-25]

。虽然人们在动物实验中已取得了令人鼓舞的进展,但是,NSCs在应用上还遇到许多问题。目前,还没有应用NSCs治疗人类AD获益的证据。从NSCs的来源、特性研究以及临床应用上,仍存在诸多的问题。临床上,鉴定NSCs存在的位置仍有困难,在移植手术中难以确定注入细胞的准确位置。短期内NSCs与造血干细胞的作用基本相似,但长期作用还需进一步研究。NSCs作为一种外源性细胞,在AD模型鼠脑内可以存活,并且具有分化能力,理论上认为可补充或替代受损的细胞,但实际应用还未确定。NSCs移植治疗AD的关键问题是如何在损伤部位定向诱导分化为胆碱能神经元,目前尚缺乏足够的证据来评价NSC移植在神经功能恢复方面所起的作用。在体内外对NSCs的定向诱导分化虽然取得进展,但尚未得到很好的解决。NSCs移植为治疗AD开辟了新途径,应用前景广阔,但从基础研究到临床应用还有一定的距离。今后研究的重点应以建立激活自身的NSCs为主要手段,干细胞移植为辅助方法,主要解决细胞来源不足及存活率低、存活时间短等的问题。3 NSCs的应用前景

3.1 自体干细胞分化诱导 移植免疫迄今为止仍是器官或组织移植需要解决的首要问题。CNS损伤后,首先反应的是胶质细胞,在某些因子的作用下快速分裂增殖,形成胶质瘢痕。在这个过程中也有干细胞的参与,但大多数干细胞增殖后分化为胶质细

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胞。自体干细胞增殖分化为神经元细胞或胶质细胞的机制尚未明了。一旦这个机制被发现,对CNS损伤修复来讲是一个重大的飞跃,因为它不仅可以避免移植造成的不必要损伤,更重要的是可以避免排

斥反应[1-3]

。3.2 异体NSCs移植 移植胎儿脑组织治疗神经系统退行性疾病可以明显改善症状。但胎脑的来源有限,同时受到伦理和法律上的束缚,从而限制研究的发展。人脐带血间充质干细胞的发现和体外培养的成功为AD的治疗提供了一个崭新的视野。人脐带血间充质干细胞是一类具有自我更新、增殖和多向分化潜能的干细胞,具有来源丰富、易于采集、保存和运输、无异体排斥、避免伦理争议等诸多优点。因此,利用人脐带血间充质干细胞的特性来替代受损的神经细胞从而治疗CNS疾病具有广阔的应用前景。

3.3 基因治疗 基因治疗是指将外源正常基因导入靶细胞,以纠正或补偿因基因缺陷和异常引起的疾病,以达到治疗目的。也就是将外源基因通过基因转移技术将其插入患者的适当受体细胞中,使外源基因制造的产物能治疗某种疾病。从广义说,基因治疗还包括从DNA水平采取的治疗某些疾病的措施和新技术。神经系统基因治疗常用的靶细胞有

成纤维细胞和永生化神经祖细胞[12-14]

。但NSCs来源于神经组织,具有较好的分化能力和更好的组织相容性,可以整合到宿主脑组织并向周围迁移,不形成肿瘤等。

3.4 NSCs其他应用 NSCs稳定的生物学特性,在建系后可以获得均一的遗传背景,利用其组织和种属特异性可作为治疗神经系统疾病的药物筛选平台。此外,还可利用NSC的多向分化潜能,筛选出控制和促进NSCs向目的细胞分化的药物。4 结 语

CNS的再生是一个相当复杂的问题,NSCs的研究为CNS功能重建和神经再生提供了一条新的途径[6-9]。目前NSCs增殖、分化、迁移以及与组织结构融合的细胞内、外环境调节控制机制尚不清楚,对移植后NSCs迁移速度、分化方向尚缺乏有效的调节手段。明确NSCs作用机制并与临床应用紧密结合,才能取得突破性进展。虽然NSCs研究还处于起步阶段,但在医学领域中已呈现出光辉前景。相信随着科技进步,NSCs在治疗神经系统疾病等方面的应用将得到实现。参考文献

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收稿日期:2011-07-26 修回日期:2011-08-30

本文来源:https://www.bwwdw.com/article/p0z1.html

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