实验室培养的神经元有望治疗神经退行性疾病

西北大学领导的研究人员从人类诱导的多能干细胞(iPSCs)中创造了第一个高度成熟的神经元，这一壮举为神经退行性疾病和创伤的医学研究和潜在的移植疗法开辟了新的机会。

尽管以前的研究人员已经分化干细胞成为神经元，但这些神经元在功能上尚未成熟 - 类似于胚胎或出生后早期阶段的神经元。使用当前干细胞培养技术获得的有限成熟降低了其神经变性研究的潜力。

这项研究将于1月12日发表在《细胞干细胞》杂志上。

为了创造成熟的神经元，该团队使用了“跳舞分子”，这是西北大学教授塞缪尔·I·斯塔普(Samuel I. Stupp)去年推出的一项突破性技术。该团队首先将人类iPSC分化为运动和皮质神经元，然后将它们放置在含有快速移动的舞蹈分子的合成纳米纤维涂层上。

富集的神经元不仅更加成熟，而且还表现出增强的信号能力和更大的分支能力，这是神经元相互突触接触所必需的。而且，与倾向于聚集在一起的典型干细胞衍生神经元不同，这些神经元不会聚集在一起，这使得它们维护起来不那么具有挑战性。

随着进一步发展，研究人员认为这些成熟的神经元可以移植到患者体内，作为脊髓损伤以及神经退行性疾病的有前途的治疗方法，包括肌萎缩侧索硬化症(ALS)，帕金森病，阿尔茨海默病或多发性硬化症。

成熟的神经元还为在基于培养皿的体外模型中研究神经退行性疾病(如ALS)和其他与年龄相关的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，研究人员可以改进实验以更好地了解迟发性疾病。

“这是我们第一次能够通过将它们铺在合成基质上来触发人类iPSC衍生神经元的高级功能成熟，”西北大学的Evangelos Kiskinis说，他是该研究的共同通讯作者。“这很重要，因为有许多应用需要研究人员使用纯化的神经元群体。大多数基于干细胞的实验室使用与人类干细胞衍生神经元共培养的小鼠或大鼠神经元。但这不允许科学家研究人类神经元中发生的事情，因为你最终会使用小鼠和人类细胞的混合物。

“当你有一个iPSC设法变成一个神经元时，它将是一个年轻的神经元，”该研究的共同通讯作者Stupp说。“但是，为了让它在治疗意义上有用，你需要一个成熟的神经元。否则，这就像要求婴儿执行需要成年人的功能一样。我们已经证实，涂有纳米纤维的神经元比其他方法更成熟，成熟的神经元能够更好地建立神经元功能的基础突触连接。

Kiskinis是西北大学Feinberg医学院神经病学和神经科学助理教授，纽约干细胞基金会-罗伯逊研究员和Les Turner ALS中心的核心教员。Stupp是西北大学材料科学与工程，化学，医学和生物医学工程的董事会教授，他是辛普森奎里生物纳米技术研究所(SQI)及其附属研究中心再生纳米医学中心的创始主任。Stupp曾在McCormick工程学院，Weinberg艺术与科学学院和Feinberg医学院任职。

同步的“舞蹈”能力

为了开发成熟的神经元，研究人员使用了由“跳舞分子”组成的纳米纤维，这是Stupp实验室开发的一种材料，作为急性脊髓损伤的潜在治疗方法。在之前发表在《科学》杂志上的研究中，Stupp发现了如何调整分子的运动，这样它们就可以找到并适当地参与不断移动的细胞受体。通过模仿生物分子的运动，合成材料可以与细胞交流。

Stupp研究的一个关键创新是发现如何控制纳米纤维中超过100，000个分子的集体运动。由于人体中的细胞受体可以以快速的速度移动 - 有时在毫秒的时间尺度上 - 它们成为难以击中的移动目标。

“想象一下将一秒钟分成1000个时间段，”Stupp说。“这就是受体移动的速度。这些时间尺度是如此之快，以至于很难掌握。

在这项新研究中，Stupp和Kiskinis发现，纳米纤维经过调整以包含运动最多的分子，导致神经元得到最增强。换句话说，在更动态的涂层上培养的神经元 - 基本上是由许多纳米纤维组成的支架 - 也是最成熟，最不可能聚集并具有更强烈信号能力的神经元。

“我们认为这起作用的原因是因为受体在细胞膜上移动得非常快，我们支架的信号分子也移动得非常快，”Stupp说。“它们更有可能是同步的。如果两个舞者不同步，则配对不起作用。受体通过非常特定的空间遭遇被信号激活。我们的快速移动分子也有可能增强受体运动，这反过来又有助于将它们聚集在一起以有益于信号传导。

具有ALS特征的神经元为疾病提供了新的窗口

Stupp和Kiskinis相信他们成熟的神经元将深入了解与衰老相关的疾病，并成为在细胞培养物中测试各种药物治疗的更好候选者。利用跳舞的分子，研究人员能够将人类神经元推进到比以前更老的年龄，使科学家能够研究神经退行性疾病的发作。

作为研究的一部分，Kiskinis和他的团队从ALS患者身上提取皮肤细胞，并将其转化为患者特异性iPSC。然后，他们将这些干细胞分化为运动神经元，这是这种神经退行性疾病中受折磨的细胞类型。最后，研究人员在新型合成涂层材料上培养神经元，以进一步发展ALS特征。这不仅为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疗法。

“我们第一次能够在干细胞衍生的ALS患者运动神经元中看到成人发病的神经蛋白聚集。这对我们来说是一个突破，“Kiskinis说。“目前还不清楚聚集如何引发疾病。这是我们第一次希望发现的。

希望未来治疗脊髓损伤、神经退行性疾病

再往前走，iPSC衍生的成熟增强神经元也可以移植到脊髓损伤或神经退行性疾病患者中。例如，医生可以从ALS或帕金森病患者身上取出皮肤细胞，将它们转化为iPSC，然后在涂层上培养这些细胞以产生健康的，功能强大的神经元。

将健康的神经元移植到患者体内可以替换受损或丢失的神经元，从而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衍生神经元将在遗传上与患者匹配，从而消除了排斥的可能性。

“细胞替代疗法对于像ALS这样的疾病来说可能非常具有挑战性，因为脊髓中移植的运动神经元需要将其长轴突投射到外围的适当肌肉部位，但对于帕金森病来说可能更直接，”Kiskinis说。“无论哪种方式，这项技术都将是变革性的。

“有可能从患者身上取出细胞，将它们转化为干细胞，然后将它们分化成不同类型的细胞，”Stupp说。“但是这些细胞的产量往往很低，实现适当的成熟是一个大问题。我们可以将我们的涂层整合到大规模制造用于细胞移植治疗的患者来源神经元中，而无需免疫排斥。