發(fā)布時(shí)間：2020-09-22
2020年9月22日，《Cell Stem Cell》期刊在線發(fā)表了題為《人干細(xì)胞來(lái)源的神經(jīng)元修復(fù)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(nèi)移植的人多巴胺能神經(jīng)元重構(gòu)的神經(jīng)環(huán)路，發(fā)現(xiàn)移植干細(xì)胞來(lái)源的神經(jīng)細(xì)胞可以特異性修復(fù)成年腦內(nèi)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(guó)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)與類腦研究中心、中國(guó)科學(xué)院靈長(zhǎng)類神經(jīng)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳躍軍研究員指導(dǎo)，與復(fù)旦大學(xué)附屬兒科醫(yī)院周文浩/熊曼研究組，美國(guó)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(nèi)有上千種不同類型的神經(jīng)元，神經(jīng)元之間形成復(fù)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(chǔ)。很多神經(jīng)系統(tǒng)疾病，包括中風(fēng)，腦外傷，和神經(jīng)退行性疾病（帕金森病和阿爾茲海默病等），都會(huì)導(dǎo)致腦內(nèi)神經(jīng)元的丟失和神經(jīng)連接的破壞，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重的神經(jīng)功能障礙，比如偏癱，運(yùn)動(dòng)遲緩，肌肉僵直，學(xué)習(xí)記憶能力受損等。然而包括人在內(nèi)的成年哺乳動(dòng)物大腦神經(jīng)再生能力十分有限，對(duì)于這些神經(jīng)元丟失導(dǎo)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(nèi)移植干細(xì)胞來(lái)源的神經(jīng)細(xì)胞，替代腦內(nèi)丟失的神經(jīng)細(xì)胞的功能（干細(xì)胞治療），是潛在的治療措施之一。神經(jīng)系統(tǒng)疾病干細(xì)胞治療的關(guān)鍵是對(duì)受損神經(jīng)環(huán)路的修復(fù)和功能重建，然而我們腦內(nèi)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(fù)雜的神經(jīng)纖維生長(zhǎng)導(dǎo)向的機(jī)制。在成年疾病腦環(huán)境中，移植的神經(jīng)細(xì)胞能否長(zhǎng)出神經(jīng)纖維，橋接“失聯(lián)”的上游和下游腦區(qū)，進(jìn)而修復(fù)受損的神經(jīng)環(huán)路仍然不清楚。更重要的是這種修復(fù)作用是移植細(xì)胞隨機(jī)整合的結(jié)果還是特異性的修復(fù)？其背后的機(jī)制和原則是什么？這些都是神經(jīng)系統(tǒng)疾病干細(xì)胞治療領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
圖注：女媧補(bǔ)天（腦），寓意通過(guò)移植干細(xì)胞來(lái)源的神經(jīng)細(xì)胞，特異性修復(fù)大腦中受損神經(jīng)環(huán)路，重塑神經(jīng)功能 。
針對(duì)以上問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)成員以帕金森氏病為模型，研究了成年腦內(nèi)移植干細(xì)胞來(lái)源的神經(jīng)細(xì)胞修復(fù)受損神經(jīng)環(huán)路的可行性和機(jī)制。帕金森氏病是以靜止性震顫，肌強(qiáng)直，運(yùn)動(dòng)遲緩等為主要表現(xiàn)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(qū)的多巴胺能神經(jīng)元進(jìn)行性丟失，導(dǎo)致黒質(zhì)腦區(qū)至紋狀體腦區(qū)神經(jīng)連接的破壞，進(jìn)而造成紋狀體內(nèi)多巴胺分泌不足，最終導(dǎo)致病人運(yùn)動(dòng)功能的障礙。團(tuán)隊(duì)成員一直致力于開發(fā)針對(duì)不同類型神經(jīng)元的人源干細(xì)胞神經(jīng)分化技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上建立了高效的人干細(xì)胞分化中腦黒質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的方法。團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)一步通過(guò)基因編輯技術(shù)對(duì)人干細(xì)胞進(jìn)行了遺傳學(xué)標(biāo)記，從而能夠特異性示蹤干細(xì)胞來(lái)源的人多巴胺能神經(jīng)元及其神經(jīng)纖維。團(tuán)隊(duì)成員把遺傳學(xué)標(biāo)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(qū)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，黒質(zhì)腦區(qū)移植的人多巴胺能神經(jīng)元長(zhǎng)出大量神經(jīng)纖維，沿著內(nèi)源黒質(zhì)-紋狀體神經(jīng)連接相似的路徑，特異性地生長(zhǎng)并延伸到其內(nèi)源靶區(qū)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(tuán)隊(duì)成員進(jìn)一步通過(guò)遺傳學(xué)技術(shù)和狂犬病毒介導(dǎo)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(xiàn)移植的人多巴胺能神經(jīng)元接受與內(nèi)源黒質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元相似的神經(jīng)支配。對(duì)神經(jīng)元電生理功能的研究發(fā)現(xiàn)，移植的人多巴胺能神經(jīng)元表現(xiàn)出和內(nèi)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(diào)控。這些結(jié)果說(shuō)明帕金森病模型小鼠腦內(nèi)移植的人多巴胺能神經(jīng)元特異性的修復(fù)和重建了受損的黒質(zhì)-紋狀體神經(jīng)連接，并且其結(jié)構(gòu)和功能與內(nèi)源神經(jīng)連接高度一致。最后，團(tuán)隊(duì)成員通過(guò)行為學(xué)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞移植組小鼠運(yùn)動(dòng)功能障礙隨著移植時(shí)間延長(zhǎng)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(xì)胞的活性，小鼠運(yùn)動(dòng)功能的改善就消失了，提示移植細(xì)胞重建的神經(jīng)功能連接介導(dǎo)了模型小鼠行為學(xué)的恢復(fù)。有趣的是，團(tuán)隊(duì)成員在帕金森病模型小鼠的黒質(zhì)移植另外一種類型的神經(jīng)細(xì)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(qū)，幾乎不投射到紋狀體，無(wú)法修復(fù)受損的黑質(zhì)-紋狀體神經(jīng)環(huán)路，模型動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)功能障礙也不能得到改善，說(shuō)明只有特定類型的細(xì)胞才能修復(fù)特定的神經(jīng)功能環(huán)路。
該研究提示成年腦內(nèi)受損的神經(jīng)連接可以通過(guò)移植干細(xì)胞來(lái)源的神經(jīng)細(xì)胞實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能上的修復(fù)，重塑神經(jīng)功能。同時(shí)該研究也發(fā)現(xiàn)，不同類型的神經(jīng)細(xì)胞對(duì)環(huán)路的修復(fù)作用是不同的，提示對(duì)于不同類型神經(jīng)元丟失造成的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，需要有針對(duì)性的移植特定的神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行環(huán)路修復(fù)和治療。這些發(fā)現(xiàn)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(chǔ)。現(xiàn)在人腦內(nèi)主要的神經(jīng)細(xì)胞類型已經(jīng)可以通過(guò)干細(xì)胞神經(jīng)分化技術(shù)在體外高效獲得，干細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展將為很多神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療帶來(lái)新的希望。
復(fù)旦大學(xué)附屬兒科醫(yī)院熊曼博士與美國(guó)威斯康辛大學(xué)陶冶錚博士是該項(xiàng)工作的第一作者，中國(guó)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(yán)唯博士也做出了重要貢獻(xiàn)。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(yàn)的總體設(shè)計(jì)和方案。B-C. 通過(guò)人特異性抗體hNCAM染色發(fā)現(xiàn)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(cè)紋狀體。D. 通過(guò)遺傳學(xué)技術(shù)特異性標(biāo)記多巴胺能神經(jīng)纖維，同樣發(fā)現(xiàn)黒質(zhì)移植的多巴胺能神經(jīng)元主要投射到背側(cè)紋狀體。E. 狂犬病毒示蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn)移植到黒質(zhì)的多巴胺能神經(jīng)元接受上游多腦區(qū)的神經(jīng)支配。F-G. 電生理實(shí)驗(yàn)顯示移植的多巴胺能神經(jīng)元表現(xiàn)為內(nèi)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(nèi)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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