在一項新的研究中，來自美國西北大學(xué)等研究機構(gòu)的研究人員利用人類誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cell, iPSC）構(gòu)建出首批高度成熟的神經(jīng)元，這一壯舉為針對神經(jīng)退行性疾病和創(chuàng)傷性損傷的醫(yī)學(xué)研究和潛在移植療法提供了新的機會。相關(guān)研究結(jié)果于2023年1月12日在線發(fā)表在Cell Stem Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Artificial extracellular matrix scaffolds of mobile molecules enhance maturation of human stem cell-derived neurons”。

雖然以前的科學(xué)家們已將干細(xì)胞分化為神經(jīng)元，但這些神經(jīng)元在功能上是不成熟的---類似于胚胎或出生后早期的神經(jīng)元。目前利用干細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)獲得的神經(jīng)元成熟度有限，削弱了它們在神經(jīng)變性研究中的潛力。

為了獲得成熟的神經(jīng)元，這些作者使用了“跳舞分子（dancing molecule）”，這是西北大學(xué)教授Samuel I. Stupp在2021年推出的一項突破性技術(shù)（Science, 2021, doi:10.1126/science.abh3602）。他們首先將人類iPSC分化為運動神經(jīng)元和皮層神經(jīng)元，然后將它們放在含有快速移動的舞蹈分子的合成納米纖維涂層上。

由此富集的神經(jīng)元不僅更加成熟，而且還表現(xiàn)出更強的信號傳導(dǎo)能力和更大的分支能力，這是神經(jīng)元相互之間進行突觸接觸所需要的。與典型的往往會聚集在一起的干細(xì)胞衍生性神經(jīng)元不同，這些神經(jīng)元并沒有聚集在一起，使它們在維護方面的難度降低。

這些作者認(rèn)為，隨著進一步的開發(fā)，這些成熟的神經(jīng)元可能能夠被移植到患者身上，有望作為治療脊髓損傷和包括肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥（ALS）、帕金森病、阿爾茨海默病或多發(fā)性硬化癥在內(nèi)的神經(jīng)退行性疾病的一種有希望的療法。

這些成熟的神經(jīng)元也為在基于培養(yǎng)皿的體外模型中研究神經(jīng)退行性疾?。ˋLS）和其他的年齡相關(guān)疾病提供了新的機會。通過提高細(xì)胞培養(yǎng)物中神經(jīng)元的年齡，這些作者可能能夠改進實驗，以便更好地了解晚發(fā)性疾病。

論文共同通訊作者、西北大學(xué)的Evangelos Kiskinis說，“這是我們第一次能夠通過將人類iPSC衍生的神經(jīng)元放置在一種合成基質(zhì)上來觸發(fā)它們的高級功能性成熟。這很重要，因為有許多應(yīng)用需要科學(xué)家們使用純化的神經(jīng)元群體。大多數(shù)基于干細(xì)胞的實驗室使用人類干細(xì)胞衍生性神經(jīng)元共同培養(yǎng)的小鼠或大鼠神經(jīng)元。但這并不允許科學(xué)家們研究人類神經(jīng)元中發(fā)生的事情，因為你最終是在用小鼠和人類細(xì)胞的混合物開展研究。”

Stupp說，“當(dāng)你有iPSC，你設(shè)法讓它變成神經(jīng)元，它將年輕的神經(jīng)元。但是，為了讓它在治療意義上發(fā)揮作用，你需要成熟的神經(jīng)元。否則，這就像要求嬰兒完成一種成年人才能完成的功能。我們證實，與其他方法相比，涂有我們的納米纖維的神經(jīng)元達到了更高的成熟度，而成熟的神經(jīng)元能夠更好地建立突觸連接，這是神經(jīng)元功能的基礎(chǔ)?！?/p>

同步的“跳舞”能力

為了開發(fā)成熟的神經(jīng)元，這些作者使用了由“跳舞分子”組成的納米纖維，這種材料是Stupp實驗室作為急性脊髓損傷的潛在治療方法開發(fā)的。在之前的一項研究中，Stupp發(fā)現(xiàn)了如何調(diào)整分子的運動，以便它們能夠找到并適當(dāng)?shù)嘏c不斷移動的細(xì)胞受體接觸（Science, 2021, doi:10.1126/science.abh3602）。通過模擬生物分子的運動，這種合成材料可以與細(xì)胞通信。其中的一個關(guān)鍵創(chuàng)新是發(fā)現(xiàn)了如何控制納米纖維內(nèi)10多萬個分子的集體運動。由于人體中的細(xì)胞受體可以快速移動---有時是以毫秒為單位---它們成為難以擊中的移動靶標(biāo)。

圖片來自Cell Stem Cell, 2023, doi:10.1016/j.stem.2022.12.010。

Stupp說，“想象一下，把一秒鐘分成1000個時間段。這就是受體可以移動的速度。這些時間尺度是如此之快，以至于它們難以把握?！?/p>

在這項新的研究中，Stupp和Kiskinis發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過調(diào)整以包含具有最活躍運動的分子的納米纖維導(dǎo)致了神經(jīng)元的增強程度最高。換句話說，在更有活力的涂層---基本上是由許多納米纖維組成的支架---上培養(yǎng)的神經(jīng)元也是變得最成熟的神經(jīng)元，最不可能聚集，并具有更強烈的信號傳導(dǎo)能力。

Stupp說，“我們認(rèn)為這樣做的原因是受體在細(xì)胞膜上移動得非?？欤覀兊闹Ъ苌系男盘柗肿右惨苿拥梅浅？臁Ｋ鼈兏锌赡苁峭降?。如果兩個跳舞者不同步，那么這個配對就不會成功。受體通過非常具體的空間相遇被這些信號分子激活。也有可能是我們的快速移動分子增強了受體的運動，這反過來又有助于聚集它們，從而有助于信號傳導(dǎo)?！?/p>

具有ALS特征的神經(jīng)元提供了了解該疾病的新窗口

Stupp和Kiskinis相信他們的成熟神經(jīng)元將使人們了解與衰老有關(guān)的疾病，并成為在細(xì)胞培養(yǎng)物中測試多種藥物療法的更好的候選者。利用跳舞分子，這些作者能夠?qū)⑷祟惿窠?jīng)元推進到比以前更老的年齡，使科學(xué)家們能夠研究神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病情況。

作為這項新研究的一部分，Kiskinis和他的團隊從一名ALS患者身上提取皮膚細(xì)胞，并將它們轉(zhuǎn)化為患者特異性的iPSC。然后，他們將這些干細(xì)胞分化為運動神經(jīng)元，這是受這種神經(jīng)退行性疾病影響的細(xì)胞類型。最后，他們在這種新型合成涂層材料上培養(yǎng)了所產(chǎn)生的運動神經(jīng)元，以使它們進一步出現(xiàn)ALS特征。這不僅給Kiskinis提供了一個了解ALS的新窗口，這些“ALS神經(jīng)元”也可用于測試潛在的治療方法。

Kiskinis說，“我們首次能夠在干細(xì)胞衍生的ALS患者運動神經(jīng)元中觀察到成年后的神經(jīng)系統(tǒng)蛋白聚集。這代表了我們的一個突破。目前還不清楚這種聚集是如何引發(fā)這種疾病的。這是我們第一次希望找到的答案?！?/p>

未來有望治療脊髓損傷和神經(jīng)退行性疾病

下一步，iPSC衍生的成熟的增強的神經(jīng)元也可能能夠移植到脊髓損傷或神經(jīng)退行性疾病患者身上。比如，醫(yī)生可以從ALS或帕金森病患者身上提取皮膚細(xì)胞，將它們轉(zhuǎn)化為iPSC，然后在這種涂層上培養(yǎng)這些細(xì)胞，從而產(chǎn)生健康、高功能的神經(jīng)元。

將健康的神經(jīng)元移植到患者體內(nèi)，可以取代受損或喪失的神經(jīng)元，有可能恢復(fù)失去的認(rèn)知或感覺。而且，由于最初的細(xì)胞來自患者，新的、iPSC衍生的神經(jīng)元將與患者的基因相匹配，消除了免疫排斥的可能性。

Kiskinis說，“細(xì)胞替代療法對于像ALS這樣的疾病來說是非常具有挑戰(zhàn)性的，因為移植到脊髓中的運動神經(jīng)元需要將它們的長長的軸突投射到周邊的適當(dāng)肌肉部位，但對于帕金森病來說可能更直接。無論如何，這項技術(shù)都將會引發(fā)變革?！?/p>

Stupp說，“有可能從患者身上提取細(xì)胞，將它們轉(zhuǎn)化為干細(xì)胞，然后將干細(xì)胞分化為不同類型的細(xì)胞。但這些細(xì)胞的產(chǎn)量往往很低，而且實現(xiàn)適當(dāng)?shù)某墒焓且粋€大問題。我們可能將我們的涂層整合到大規(guī)模制造患者來源的神經(jīng)元中，用于不會產(chǎn)生免疫排斥的細(xì)胞移植療法。”（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

Zaida álvarez et al. Artificial Extracellular Matrix Scaffolds of Mobile Molecules Enhance Maturation of Human Stem Cell-Derived Neurons. Cell Stem Cell, 2023, doi:10.1016/j.stem.2022.12.010.