發(fā)布時(shí)間：2020-09-22
2020年9月22日，《Cell Stem Cell》期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為《人干細胞來(lái)源的神經(jīng)元修復環(huán)路重塑神經(jīng)功能》的研究論文，該研究通過(guò)解析帕金森病模型鼠腦內移植的人多巴胺能神經(jīng)元重構的神經(jīng)環(huán)路，發(fā)現移植干細胞來(lái)源的神經(jīng)細胞可以特異性修復成年腦內受損的黑質(zhì)-紋狀體環(huán)路，改善帕金森病模型動(dòng)物的行為學(xué)障礙。該研究主要由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能卓越創(chuàng )新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心、中國科學(xué)院靈長(cháng)類(lèi)神經(jīng)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室陳躍軍研究員指導，與復旦大學(xué)附屬兒科醫院周文浩/熊曼研究組，美國威斯康辛大學(xué)張素春研究組合作完成。
神經(jīng)元是大腦的基本功能單元，我們腦內有上千種不同類(lèi)型的神經(jīng)元，神經(jīng)元之間形成復雜而精確的網(wǎng)絡(luò )連接（神經(jīng)環(huán)路），是我們感知世界，思考和行為的基礎。很多神經(jīng)系統疾病，包括中風(fēng)，腦外傷，和神經(jīng)退行性疾?。ㄅ两鹕『桶柶澓Ｄ〉龋?，都會(huì )導致腦內神經(jīng)元的丟失和神經(jīng)連接的破壞，進(jìn)而產(chǎn)生嚴重的神經(jīng)功能障礙，比如偏癱，運動(dòng)遲緩，肌肉僵直，學(xué)習記憶能力受損等。然而包括人在內的成年哺乳動(dòng)物大腦神經(jīng)再生能力十分有限，對于這些神經(jīng)元丟失導致神經(jīng)連接破壞和神經(jīng)功能受損的疾病，臨床上缺乏有效治療措施。通過(guò)腦內移植干細胞來(lái)源的神經(jīng)細胞，替代腦內丟失的神經(jīng)細胞的功能（干細胞治療），是潛在的治療措施之一。神經(jīng)系統疾病干細胞治療的關(guān)鍵是對受損神經(jīng)環(huán)路的修復和功能重建，然而我們腦內神經(jīng)元之間精確的網(wǎng)絡(luò )連接是在發(fā)育過(guò)程中逐漸形成的，其中涉及復雜的神經(jīng)纖維生長(cháng)導向的機制。在成年疾病腦環(huán)境中，移植的神經(jīng)細胞能否長(cháng)出神經(jīng)纖維，橋接“失聯(lián)”的上游和下游腦區，進(jìn)而修復受損的神經(jīng)環(huán)路仍然不清楚。更重要的是這種修復作用是移植細胞隨機整合的結果還是特異性的修復？其背后的機制和原則是什么？這些都是神經(jīng)系統疾病干細胞治療領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
圖注：女?huà)z補天（腦），寓意通過(guò)移植干細胞來(lái)源的神經(jīng)細胞，特異性修復大腦中受損神經(jīng)環(huán)路，重塑神經(jīng)功能 。
針對以上問(wèn)題，團隊成員以帕金森氏病為模型，研究了成年腦內移植干細胞來(lái)源的神經(jīng)細胞修復受損神經(jīng)環(huán)路的可行性和機制。帕金森氏病是以靜止性震顫，肌強直，運動(dòng)遲緩等為主要表現的全球第二大神經(jīng)退行性疾病，其主要原因是大腦黒質(zhì)腦區的多巴胺能神經(jīng)元進(jìn)行性丟失，導致黒質(zhì)腦區至紋狀體腦區神經(jīng)連接的破壞，進(jìn)而造成紋狀體內多巴胺分泌不足，最終導致病人運動(dòng)功能的障礙。團隊成員一直致力于開(kāi)發(fā)針對不同類(lèi)型神經(jīng)元的人源干細胞神經(jīng)分化技術(shù)，并在此基礎上建立了高效的人干細胞分化中腦黒質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的方法。團隊成員進(jìn)一步通過(guò)基因編輯技術(shù)對人干細胞進(jìn)行了遺傳學(xué)標記，從而能夠特異性示蹤干細胞來(lái)源的人多巴胺能神經(jīng)元及其神經(jīng)纖維。團隊成員把遺傳學(xué)標記的人多巴胺能神經(jīng)元移植到帕金森氏病模型鼠受損的黒質(zhì)腦區，結果發(fā)現，黒質(zhì)腦區移植的人多巴胺能神經(jīng)元長(cháng)出大量神經(jīng)纖維，沿著(zhù)內源黒質(zhì)-紋狀體神經(jīng)連接相似的路徑，特異性地生長(cháng)并延伸到其內源靶區域-紋狀體，和紋狀體神經(jīng)元形成神經(jīng)連接，并且絕大部分神經(jīng)纖維都投射到了紋狀體。團隊成員進(jìn)一步通過(guò)遺傳學(xué)技術(shù)和狂犬病毒介導的示蹤技術(shù)，追蹤了黒質(zhì)移植的人多巴胺能神經(jīng)元接受的上游神經(jīng)支配，發(fā)現移植的人多巴胺能神經(jīng)元接受與內源黒質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元相似的神經(jīng)支配。對神經(jīng)元電生理功能的研究發(fā)現，移植的人多巴胺能神經(jīng)元表現出和內源小鼠黒質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元相似的電生理特性，接受相似的神經(jīng)遞質(zhì)調控。這些結果說(shuō)明帕金森病模型小鼠腦內移植的人多巴胺能神經(jīng)元特異性的修復和重建了受損的黒質(zhì)-紋狀體神經(jīng)連接，并且其結構和功能與內源神經(jīng)連接高度一致。最后，團隊成員通過(guò)行為學(xué)檢測發(fā)現，細胞移植組小鼠運動(dòng)功能障礙隨著(zhù)移植時(shí)間延長(cháng)逐漸得到改善，而通過(guò)化學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)抑制移植神經(jīng)細胞的活性，小鼠運動(dòng)功能的改善就消失了，提示移植細胞重建的神經(jīng)功能連接介導了模型小鼠行為學(xué)的恢復。有趣的是，團隊成員在帕金森病模型小鼠的黒質(zhì)移植另外一種類(lèi)型的神經(jīng)細胞-人皮層谷氨酸能神經(jīng)元，其神經(jīng)纖維則主要投射到皮層和嗅球腦區，幾乎不投射到紋狀體，無(wú)法修復受損的黑質(zhì)-紋狀體神經(jīng)環(huán)路，模型動(dòng)物的運動(dòng)功能障礙也不能得到改善，說(shuō)明只有特定類(lèi)型的細胞才能修復特定的神經(jīng)功能環(huán)路。
該研究提示成年腦內受損的神經(jīng)連接可以通過(guò)移植干細胞來(lái)源的神經(jīng)細胞實(shí)現結構和功能上的修復，重塑神經(jīng)功能。同時(shí)該研究也發(fā)現，不同類(lèi)型的神經(jīng)細胞對環(huán)路的修復作用是不同的，提示對于不同類(lèi)型神經(jīng)元丟失造成的神經(jīng)系統疾病，需要有針對性的移植特定的神經(jīng)細胞進(jìn)行環(huán)路修復和治療。這些發(fā)現為腦損傷和神經(jīng)退行性疾病的治療提供了新的思路和理論基礎?，F在人腦內主要的神經(jīng)細胞類(lèi)型已經(jīng)可以通過(guò)干細胞神經(jīng)分化技術(shù)在體外高效獲得，干細胞技術(shù)的發(fā)展將為很多神經(jīng)系統疾病的治療帶來(lái)新的希望。
復旦大學(xué)附屬兒科醫院熊曼博士與美國威斯康辛大學(xué)陶冶錚博士是該項工作的第一作者，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能卓越創(chuàng )新中心高琴琴博士，馮斑碩士和嚴唯博士也做出了重要貢獻。本研究得到了中科院、科技部、基金委和上海市科委的資助。
圖注：A. 實(shí)驗的總體設計和方案。B-C. 通過(guò)人特異性抗體hNCAM染色發(fā)現移植到黒質(zhì)的多巴胺能神經(jīng)元，而不是皮層谷氨酸能神經(jīng)元，發(fā)出神經(jīng)纖維投射到背側紋狀體。D. 通過(guò)遺傳學(xué)技術(shù)特異性標記多巴胺能神經(jīng)纖維，同樣發(fā)現黒質(zhì)移植的多巴胺能神經(jīng)元主要投射到背側紋狀體。E. 狂犬病毒示蹤技術(shù)發(fā)現移植到黒質(zhì)的多巴胺能神經(jīng)元接受上游多腦區的神經(jīng)支配。F-G. 電生理實(shí)驗顯示移植的多巴胺能神經(jīng)元表現為內源黒質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元相同的電生理特性。H-I. 黒質(zhì)的多巴胺能神經(jīng)元接受內源黒質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元相似的功能性神經(jīng)支配。J. 黒質(zhì)移植的多巴胺能神經(jīng)元，而不是皮層谷氨酸能神經(jīng)元，可以改善帕金森病模型動(dòng)物的行為學(xué)障礙。
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