細(xì)胞編程，再現(xiàn)人類細(xì)胞獨(dú)特特征的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

來源：作者：人氣：-發(fā)表時間：2022-12-26 09:35:00【大中小】

摘要：對影響人類大腦的疾病的研究通常基于動物模型，無法再現(xiàn)人類神經(jīng)疾病的復(fù)雜性。因此，這些方法在臨床環(huán)境中應(yīng)用于患者時往往失敗。在這種情況下，利用皮膚細(xì)胞產(chǎn)生人類神經(jīng)元培養(yǎng)的細(xì)胞重編程技術(shù)的發(fā)現(xiàn)，徹底改變了神經(jīng)科學(xué)創(chuàng)新療法的研究和發(fā)展。

發(fā)表在《Stem Cell Reports》雜志上的一項研究表明，這種細(xì)胞重編程方法允許創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以復(fù)制人類細(xì)胞的獨(dú)特特征——不同于從嚙齒動物細(xì)胞中獲得的特征——具有提醒人類大腦發(fā)育的臨時動態(tài)。因此，基于重新編程的人類細(xì)胞的細(xì)胞模型可以促進(jìn)對抗神經(jīng)疾病的新有效療法的發(fā)展，同時減少在實驗室中實驗動物的使用。

圖1 細(xì)胞重編程方法允許創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以復(fù)制人類細(xì)胞的獨(dú)特特征（圖源：[1]）

這項研究由來自醫(yī)學(xué)與健康科學(xué)學(xué)院、巴塞羅那大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所和IDIBAPS的研究員Daniel Tornero Prieto領(lǐng)導(dǎo)。來自物理系和UB復(fù)雜系統(tǒng)研究所(UBICS)的研究人員Jordi Soriano Fradera和Estefanía Estévez-Priego以及來自隆德大學(xué)(瑞典)的Zaal Kokaia等人也參與了這項研究。

細(xì)胞重編程以克服動物模型的局限性

布法羅大學(xué)生物醫(yī)學(xué)系的Daniel Tornero指出，盡管我們與大多數(shù)哺乳動物共享大部分基因組，但“我們的細(xì)胞與其他物種(如嚙齒動物)的細(xì)胞之間存在相當(dāng)大的差異，這些物種被用作大多數(shù)病理的動物模型，特別是，大腦中存在非常顯著的差異，特別是在組織和連通性方面。這使得我們的認(rèn)知能力如此不同，這也解釋了為什么導(dǎo)致影響我們大腦的病理的缺陷在這些動物的大腦中不能以相同的方式復(fù)制。”

2007年，山中伸彌(Shinya Yamanaka)開發(fā)了基于誘導(dǎo)人類多能干細(xì)胞(hiPSCs)的細(xì)胞重編程技術(shù)，可以克服動物模型研究的局限性。這是一種可以從成年人的細(xì)胞中產(chǎn)生任何類型細(xì)胞的培養(yǎng)方法，相對簡單、有效且沒有相關(guān)的倫理考慮，在細(xì)胞治療和再生醫(yī)學(xué)的臨床應(yīng)用中具有巨大潛力。

圖2 研究小組應(yīng)用了細(xì)胞內(nèi)鈣水平記錄技術(shù)，比較了用細(xì)胞重編程技術(shù)從人類細(xì)胞中獲得的神經(jīng)元培養(yǎng)物與從嚙齒動物和人腦中獲得的神經(jīng)元培養(yǎng)物的特性。（圖源：[1]）

作為研究的一部分，研究小組應(yīng)用了細(xì)胞內(nèi)鈣水平記錄技術(shù)，比較了用細(xì)胞重編程技術(shù)從人類細(xì)胞中生成的神經(jīng)元培養(yǎng)物與從嚙齒動物和人類大腦中獲得的神經(jīng)元培養(yǎng)物的特性。這項技術(shù)提供了一種間接測量神經(jīng)元活動的方法:在神經(jīng)沖動從一個神經(jīng)元傳遞到下一個神經(jīng)元期間，鈣水平以一種特有的方式上升，可以通過細(xì)胞內(nèi)鈣傳感器記錄下來。

該研究系統(tǒng)允許在整個培養(yǎng)過程中動態(tài)地對神經(jīng)元活動進(jìn)行高分辨率監(jiān)測。實驗策略是通過使用特殊的板來完成的，這種板允許通過標(biāo)記融入培養(yǎng)表面來跟蹤同一組細(xì)胞，這種技術(shù)可以最大限度地減少變量，并為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究產(chǎn)生更可靠和更有價值的結(jié)果。

不同神經(jīng)回路之間的差異

這是該團(tuán)隊第一次能夠研究和區(qū)分產(chǎn)生的不同神經(jīng)元回路的特征，乍一看可能是相同的生物結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，從功能的角度來看，人類起源的神經(jīng)元在產(chǎn)生神經(jīng)回路時表現(xiàn)不同。這些特征可能在一定程度上解釋了用于研究人腦病理的動物模型所存在的問題。

“首先，最讓我們震驚的是決定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成和成熟的時間尺度。來自人類細(xì)胞的培養(yǎng)顯示出豐富而漸進(jìn)的動態(tài)行為，因此從培養(yǎng)的20天到45天，可以清楚地觀察到生成的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的成熟過程，”Daniel Tornero說。研究人員補(bǔ)充說:“在此期間，多虧了我們開發(fā)的不同描述符，我們已經(jīng)能夠分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何隨著時間的推移而變得越來越復(fù)雜，因為人類神經(jīng)元彼此之間的連接越來越多。”

此外，人類神經(jīng)元能夠在培養(yǎng)物中建立更長時間的連接，這是由它們的生物學(xué)特性決定的，因為人類的大腦比嚙齒動物的大腦大得多。

Tornero說:“然而，由嚙齒動物細(xì)胞產(chǎn)生的神經(jīng)回路在很短的時間內(nèi)表現(xiàn)出單調(diào)的行為，在整個進(jìn)化過程中幾乎沒有變化。”

安全協(xié)議和兼容的細(xì)胞庫

基于重編程人類細(xì)胞的細(xì)胞模型正在成為動物研究和臨床應(yīng)用之間的相關(guān)中間步驟。基于重新編程的人類細(xì)胞生成這些用于疾病研究的細(xì)胞模型已經(jīng)在臨床前研究中得到了很好的建立——2D培養(yǎng)或芯片上的器官系統(tǒng)(OoCs) 。最近，在基于使用生物材料、類器官或生物打印的3D系統(tǒng)中得到了很好的建立。

在再生醫(yī)學(xué)中，該技術(shù)在細(xì)胞治療策略中的應(yīng)用顯示出巨大的潛力，并且在各種病理(1型糖尿病、心肌梗死、脊髓損傷、黃斑變性、帕金森病等)上進(jìn)行了許多臨床試驗。建立安全可靠的方案和生成與人群中存在的不同異體群體兼容的細(xì)胞庫是這一研究領(lǐng)域最雄心勃勃的挑戰(zhàn)之一。

Daniel Tornero說:“這些新方法對于臨床前驗證不同的治療方法非常有價值，特別是在研究影響基于神經(jīng)元回路組織的復(fù)雜過程的病理時(神經(jīng)發(fā)育疾病、自閉癥譜系障礙、神經(jīng)退行性病理等)。此外，基于人類多能干細(xì)胞誘導(dǎo)的細(xì)胞重編程將有可能生成患者特異性模型，并使用基因編輯工具(如CRISPR/Cas9技術(shù))，有可能獲得導(dǎo)致病理的突變被糾正的控制細(xì)胞，”研究人員總結(jié)道。

參考資料：

[1] Long-term Calcium Imaging Reveals Functional Development in hiPSCderived Cultures Comparable to Human but not Rat Primary Cultures