Cell Stem Cell：重大进展！新方法让人类诱导性多能干细胞产生高度成熟的神经元

在一项新的研究中，来自美国西北大学等研究机构的研究人员利用人类诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cell, iPSC）构建出首批高度成熟的神经元，这一壮举为针对神经退行性疾病和创伤性损伤的医学研究和潜在移植疗法提供了新的机会。相关研究结果于2023年1月12日在线发表在Cell Stem Cell期刊上，论文标题为“Artificial extracellular matrix scaffolds of mobile molecules enhance maturation of human stem cell-derived neurons”。

虽然以前的科学家们已将干细胞分化为神经元，但这些神经元在功能上是不成熟的---类似于胚胎或出生后早期的神经元。目前利用干细胞培养技术获得的神经元成熟度有限，削弱了它们在神经变性研究中的潜力。

为了获得成熟的神经元，这些作者使用了“跳舞分子（dancing molecule）”，这是西北大学教授Samuel I. Stupp在2021年推出的一项突破性技术（Science, 2021, doi:10.1126/science.abh3602）。他们首先将人类iPSC分化为运动神经元和皮层神经元，然后将它们放在含有快速移动的舞蹈分子的合成纳米纤维涂层上。

由此富集的神经元不仅更加成熟，而且还表现出更强的信号传导能力和更大的分支能力，这是神经元相互之间进行突触接触所需要的。与典型的往往会聚集在一起的干细胞衍生性神经元不同，这些神经元并没有聚集在一起，使它们在维护方面的难度降低。

这些作者认为，随着进一步的开发，这些成熟的神经元可能能够被移植到患者身上，有望作为治疗脊髓损伤和包括肌萎缩性脊髓侧索硬化症（ALS）、帕金森病、阿尔茨海默病或多发性硬化症在内的神经退行性疾病的一种有希望的疗法。

这些成熟的神经元也为在基于培养皿的体外模型中研究神经退行性疾病（ALS）和其他的年龄相关疾病提供了新的机会。通过提高细胞培养物中神经元的年龄，这些作者可能能够改进实验，以便更好地了解晚发性疾病。

论文共同通讯作者、西北大学的Evangelos Kiskinis说，“这是我们第一次能够通过将人类iPSC衍生的神经元放置在一种合成基质上来触发它们的高级功能性成熟。这很重要，因为有许多应用需要科学家们使用纯化的神经元群体。大多数基于干细胞的实验室使用人类干细胞衍生性神经元共同培养的小鼠或大鼠神经元。但这并不允许科学家们研究人类神经元中发生的事情，因为你最终是在用小鼠和人类细胞的混合物开展研究。”

Stupp说，“当你有iPSC，你设法让它变成神经元，它将年轻的神经元。但是，为了让它在治疗意义上发挥作用，你需要成熟的神经元。否则，这就像要求婴儿完成一种成年人才能完成的功能。我们证实，与其他方法相比，涂有我们的纳米纤维的神经元达到了更高的成熟度，而成熟的神经元能够更好地建立突触连接，这是神经元功能的基础。”

同步的“跳舞”能力

为了开发成熟的神经元，这些作者使用了由“跳舞分子”组成的纳米纤维，这种材料是Stupp实验室作为急性脊髓损伤的潜在治疗方法开发的。在之前的一项研究中，Stupp发现了如何调整分子的运动，以便它们能够找到并适当地与不断移动的细胞受体接触（Science, 2021, doi:10.1126/science.abh3602）。通过模拟生物分子的运动，这种合成材料可以与细胞通信。其中的一个关键创新是发现了如何控制纳米纤维内10多万个分子的集体运动。由于人体中的细胞受体可以快速移动---有时是以毫秒为单位---它们成为难以击中的移动靶标。

图片来自Cell Stem Cell, 2023, doi:10.1016/j.stem.2022.12.010。

Stupp说，“想象一下，把一秒钟分成1000个时间段。这就是受体可以移动的速度。这些时间尺度是如此之快，以至于它们难以把握。”

在这项新的研究中，Stupp和Kiskinis发现，经过调整以包含具有最活跃运动的分子的纳米纤维导致了神经元的增强程度最高。换句话说，在更有活力的涂层---基本上是由许多纳米纤维组成的支架---上培养的神经元也是变得最成熟的神经元，最不可能聚集，并具有更强烈的信号传导能力。

Stupp说，“我们认为这样做的原因是受体在细胞膜上移动得非常快，而我们的支架上的信号分子也移动得非常快。它们更有可能是同步的。如果两个跳舞者不同步，那么这个配对就不会成功。受体通过非常具体的空间相遇被这些信号分子激活。也有可能是我们的快速移动分子增强了受体的运动，这反过来又有助于聚集它们，从而有助于信号传导。”

具有ALS特征的神经元提供了了解该疾病的新窗口

Stupp和Kiskinis相信他们的成熟神经元将使人们了解与衰老有关的疾病，并成为在细胞培养物中测试多种药物疗法的更好的候选者。利用跳舞分子，这些作者能够将人类神经元推进到比以前更老的年龄，使科学家们能够研究神经退行性疾病的发病情况。

作为这项新研究的一部分，Kiskinis和他的团队从一名ALS患者身上提取皮肤细胞，并将它们转化为患者特异性的iPSC。然后，他们将这些干细胞分化为运动神经元，这是受这种神经退行性疾病影响的细胞类型。最后，他们在这种新型合成涂层材料上培养了所产生的运动神经元，以使它们进一步出现ALS特征。这不仅给Kiskinis提供了一个了解ALS的新窗口，这些“ALS神经元”也可用于测试潜在的治疗方法。

Kiskinis说，“我们首次能够在干细胞衍生的ALS患者运动神经元中观察到成年后的神经系统蛋白聚集。这代表了我们的一个突破。目前还不清楚这种聚集是如何引发这种疾病的。这是我们第一次希望找到的答案。”

未来有望治疗脊髓损伤和神经退行性疾病

下一步，iPSC衍生的成熟的增强的神经元也可能能够移植到脊髓损伤或神经退行性疾病患者身上。比如，医生可以从ALS或帕金森病患者身上提取皮肤细胞，将它们转化为iPSC，然后在这种涂层上培养这些细胞，从而产生健康、高功能的神经元。

将健康的神经元移植到患者体内，可以取代受损或丧失的神经元，有可能恢复失去的认知或感觉。而且，由于最初的细胞来自患者，新的、iPSC衍生的神经元将与患者的基因相匹配，消除了免疫排斥的可能性。

Kiskinis说，“细胞替代疗法对于像ALS这样的疾病来说是非常具有挑战性的，因为移植到脊髓中的运动神经元需要将它们的长长的轴突投射到周边的适当肌肉部位，但对于帕金森病来说可能更直接。无论如何，这项技术都将会引发变革。”

Stupp说，“有可能从患者身上提取细胞，将它们转化为干细胞，然后将干细胞分化为不同类型的细胞。但这些细胞的产量往往很低，而且实现适当的成熟是一个大问题。我们可能将我们的涂层整合到大规模制造患者来源的神经元中，用于不会产生免疫排斥的细胞移植疗法。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

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.