世界首次，在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)出高度成熟神經(jīng)元，讓漸凍癥/帕金森病等疾病治療成為可能

（圖片來(lái)源：攝圖網(wǎng)）

作者|nagashi 來(lái)源|生物世界(ID：ibioworld)

神經(jīng)退行性疾病，是由進(jìn)行性神經(jīng)細(xì)胞死亡而導(dǎo)致功能障礙的一類(lèi)疾病，包括阿爾茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、亨廷頓舞蹈癥（HD）和漸凍癥（ALS）等等。目前，神經(jīng)退行性疾病的病因尚不明確并且無(wú)法治愈，嚴(yán)重威脅著人類(lèi)健康，同時(shí)也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

值得注意的是，這些神經(jīng)退行性疾病，以及腦中風(fēng)，都會(huì)導(dǎo)致大量神經(jīng)元丟失。因此，如果能在患者體內(nèi)再生神經(jīng)元或?qū)⒔】档纳窠?jīng)元移植過(guò)去，顯然就能從根本上治愈這些重大疾病。

2022年1月12日，美國(guó)西北大學(xué)的研究人員在干細(xì)胞領(lǐng)域頂級(jí)期刊Cell Stem Cell上發(fā)表了題為：Artificial extracellular matrix    scaffolds of mobile molecules enhance maturation of human stem cell-derived    neurons的研究論文。

研究團(tuán)隊(duì)在帶有“跳舞分子”（dancing molecules）的涂層上培養(yǎng)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）來(lái)源的神經(jīng)元，創(chuàng)造出功能更成熟的神經(jīng)元，增強(qiáng)了突觸信號(hào)、電活動(dòng)和分支，并提高了存活率。這種神經(jīng)元可以移植到脊髓損傷或神經(jīng)退行性疾病患者體內(nèi)，以替代丟失或受損的神經(jīng)元。

iPSC來(lái)源的神經(jīng)元

隨著干細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們可以產(chǎn)生iPSCs并促進(jìn)其分化為神經(jīng)細(xì)胞，從而提供了一種前所未有的、修復(fù)人類(lèi)中樞系統(tǒng)的途徑，同時(shí)也使得研究神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)疾病模型組裝成為可能。

然而，目前體外培養(yǎng)iPSCs來(lái)源的神經(jīng)元仍然十分具有挑戰(zhàn)性，在細(xì)胞培養(yǎng)皿中生長(zhǎng)的神經(jīng)元不會(huì)完全成熟，而是類(lèi)似于胚胎或出生后早期的神經(jīng)元，并且表現(xiàn)出較低的長(zhǎng)期生存能力。

打個(gè)形象生動(dòng)的比喻，當(dāng)你有一個(gè)iPSC，設(shè)法通過(guò)干細(xì)胞技術(shù)將其誘導(dǎo)成一個(gè)神經(jīng)元，那它將是一個(gè)年輕而幼稚的神經(jīng)元，就像剛出生的嬰兒。因此，為了讓它能用于科學(xué)研究以及后續(xù)的臨床應(yīng)用，你需要讓其成長(zhǎng)為一個(gè)成熟的神經(jīng)元。

“跳舞分子”和“ECM模擬平臺(tái)”

在此之前，該研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證實(shí)，用納米纖維包裹的神經(jīng)元比其他方法更成熟，而這些成熟的神經(jīng)元更能建立對(duì)神經(jīng)元功能至關(guān)重要的突觸連接。因此，研究人員推測(cè)是細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）影響了神經(jīng)元的發(fā)育。這是一種“細(xì)胞間支架”，在神經(jīng)元成熟、信號(hào)傳遞和衰老中起著關(guān)鍵作用。

為了從iPSC中獲得成熟的神經(jīng)元，研究團(tuán)隊(duì)基于通訊作者Samuel I. Stupp在去年推出的突破性“跳舞分子”技術(shù)創(chuàng)建了一個(gè)“ECM模擬平臺(tái)”。該技術(shù)包括由肽兩親體（PA）分子形成的超分子納米原纖維支架，這種材料一開(kāi)始是作為急性脊髓損傷的潛在治療方法。

具有不同程度超分子運(yùn)動(dòng)的IKVAV-PA超分子納米纖維的表征

在之前的研究中，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)模擬生物分子的運(yùn)動(dòng)，即使是人工合成材料也可以與細(xì)胞通信。實(shí)際上，人體內(nèi)的細(xì)胞受體一直處于快速移動(dòng)狀態(tài)，有時(shí)甚至是以毫秒為時(shí)間尺度，因此想要“擊中”它們是非常困難的，而這項(xiàng)研究一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新是發(fā)現(xiàn)如何控制納米纖維中10萬(wàn)多個(gè)“跳舞分子”的集體運(yùn)動(dòng)。

在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)首先將人源iPSCs分化為運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元和皮層神經(jīng)元，然后將其置于含有這些快速移動(dòng)的“跳舞分子”的合成納米纖維涂層上。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)具有類(lèi)似納米纖維結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的超分子支架表現(xiàn)出更強(qiáng)烈的超分子運(yùn)動(dòng)時(shí)，其生物活性顯著增強(qiáng)，同時(shí)培養(yǎng)在含有高度流動(dòng)PA分子的基質(zhì)上的神經(jīng)元也表現(xiàn)出與功能成熟度增加一致的幾個(gè)特征。

高流動(dòng)性IKVAV-PA超分子支架增強(qiáng)了iPSCs衍生的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的整合素依賴(lài)效應(yīng)

更簡(jiǎn)單的說(shuō)，經(jīng)過(guò)調(diào)整的納米纖維能夠容納運(yùn)動(dòng)速度更快的“跳舞分子”，而在越動(dòng)態(tài)的涂層上培養(yǎng)神經(jīng)元，就會(huì)得到越成熟的神經(jīng)元。

生命在于運(yùn)動(dòng)

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這種方法之所以有效是因?yàn)槭荏w在細(xì)胞膜上移動(dòng)得非常快，而支架上的信號(hào)分子也移動(dòng)非常快，因此它們更有可能是同步，受體通過(guò)非常特殊的空間接觸被信號(hào)激活，快速移動(dòng)的分子也有可能增強(qiáng)受體的運(yùn)動(dòng)，這反過(guò)來(lái)有助于將它們聚集在一起，以利于信號(hào)傳遞。

經(jīng)過(guò)ECM模擬平臺(tái)強(qiáng)化的神經(jīng)元不僅更加成熟，而且還表現(xiàn)出增強(qiáng)的信號(hào)傳遞能力和更強(qiáng)的分支能力，這是神經(jīng)元相互之間進(jìn)行突觸接觸所必需的。這些結(jié)果表明，運(yùn)動(dòng)在細(xì)胞信號(hào)傳遞中發(fā)揮著重要作用，而不僅僅是單個(gè)分子的簡(jiǎn)單構(gòu)象變化。

高流動(dòng)性的IKVAV-PA2對(duì)功能性MN成熟的影響

研究團(tuán)隊(duì)表示，與目前體外培養(yǎng)干細(xì)胞源性神經(jīng)元的方法相比，他們開(kāi)發(fā)的基于PA的ECM模擬技術(shù)具有更明顯的生物學(xué)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。這項(xiàng)最新研究證明了將動(dòng)態(tài)可控特征納入合成ECM支架的重要性，可以顯著改進(jìn)基于干細(xì)胞的神經(jīng)元模型。

巨大的應(yīng)用前景

論文的通訊作者 Samuel I. Stupp表示，這項(xiàng)技術(shù)將有助于深入了解與衰老相關(guān)的疾病，并成為在細(xì)胞培養(yǎng)中測(cè)試各種藥物療法的更好選擇。通過(guò)使用“跳舞分子”，能夠創(chuàng)造模擬老化ECM的人造涂層，從而獲得老化的人類(lèi)神經(jīng)元，方便科學(xué)家們研究神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病。

基于這些發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)從漸凍癥（ALS）患者的皮膚細(xì)胞中提取細(xì)胞，并將其轉(zhuǎn)化為iPSCs，然后，將它們?cè)俜只癁檫\(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，而運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元正是漸凍癥這種神經(jīng)退行性疾病所損失的細(xì)胞類(lèi)型。最后，研究團(tuán)隊(duì)在新型合成涂層材料上培養(yǎng)這些患者來(lái)源的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，以此研究ALS的發(fā)病過(guò)程。

該論文的共同通訊作者Evangelos    Kiskinis博士表示，這是首次能夠在漸凍癥患者細(xì)胞來(lái)源的iPSC再分化的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元中看到成年期神經(jīng)蛋白聚集。這是一個(gè)新的突破。

研究模式圖

更重要的是，隨著研究的進(jìn)一步發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)還可以作為治療脊髓損傷以及神經(jīng)退行性疾病（包括阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓舞蹈癥、漸凍癥等等）的一種有希望的療法。

例如，可以從患有漸凍癥或帕金森病的患者身上提取皮膚細(xì)胞，將其誘導(dǎo)為iPSC，然后在涂層上培養(yǎng)這些細(xì)胞，以創(chuàng)造健康、功能強(qiáng)大的成熟神經(jīng)元，再將健康的神經(jīng)元移植到患者體內(nèi)，就可以替換受損或丟失的神經(jīng)元，從而恢復(fù)患者失去的認(rèn)知或感覺(jué)。而且，由于最初的細(xì)胞來(lái)自患者，由iPSC再分化而來(lái)的神經(jīng)元也將在基因上與患者匹配，從而消除免疫排斥的可能性。

細(xì)胞替代治療對(duì)于像漸凍癥這樣的疾病來(lái)說(shuō)非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榧顾柚幸浦驳倪\(yùn)動(dòng)神經(jīng)元需要將其長(zhǎng)軸突投射到周?chē)m當(dāng)?shù)募∪獠课?，但這種治療方法對(duì)于帕金森病可能更直接。但不管怎樣，這項(xiàng)新技術(shù)都將是革命性的。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2022.12.010

編者按：本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)：生物世界(ID：ibioworld)，作者：nagashi