對(duì)影響人類大腦的疾病的研究通常基于動(dòng)物模型，無(wú)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(shí)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(xiàng)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(dòng)物細(xì)胞中獲得的特征——具有提醒人類大腦發(fā)育的臨時(shí)動(dòng)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(duì)抗神經(jīng)疾病的新有效療法的發(fā)展，同時(shí)減少在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的使用。

這項(xiàng)研究由來(lái)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(lái)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(lái)自隆德大學(xué)(瑞典)的Zaal Kokaia等人也參與了這項(xiàng)研究。

細(xì)胞重編程以克服動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)物的大腦中不能以相同的方式復(fù)制?！?/p>

2007年，山中伸彌(Shinya Yamanaka)開(kāi)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(dòng)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(duì)簡(jiǎn)單、有效且沒(méi)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。

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(dòng)物和人類大腦中獲得的神經(jīng)元培養(yǎng)物的特性。這項(xiàng)技術(shù)提供了一種間接測(cè)量神經(jīng)元活動(dòng)的方法:在神經(jīng)沖動(dòng)從一個(gè)神經(jīng)元傳遞到下一個(gè)神經(jīng)元期間，鈣水平以一種特有的方式上升，可以通過(guò)細(xì)胞內(nèi)鈣傳感器記錄下來(lái)。

該研究系統(tǒng)允許在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)地對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行高分辨率監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)策略是通過(guò)使用特殊的板來(lái)完成的，這種板允許通過(guò)標(biāo)記融入培養(yǎng)表面來(lái)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(jià)值的結(jié)果。

不同神經(jīng)回路之間的差異  

這是該團(tuán)隊(duì)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(lái)看，人類起源的神經(jīng)元在產(chǎn)生神經(jīng)回路時(shí)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(dòng)物模型所存在的問(wèn)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(shí)間尺度。來(lái)自人類細(xì)胞的培養(yǎng)顯示出豐富而漸進(jìn)的動(dòng)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(guò)程，”Daniel Tornero說(shuō)。研究人員補(bǔ)充說(shuō):“在此期間，多虧了我們開(kāi)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(shí)間的推移而變得越來(lái)越復(fù)雜，因?yàn)槿祟惿窠?jīng)元彼此之間的連接越來(lái)越多?！?/p>

此外，人類神經(jīng)元能夠在培養(yǎng)物中建立更長(zhǎng)時(shí)間的連接，這是由它們的生物學(xué)特性決定的，因?yàn)槿祟惖拇竽X比嚙齒動(dòng)物的大腦大得多。

Tornero說(shuō):“然而，由嚙齒動(dòng)物細(xì)胞產(chǎn)生的神經(jīng)回路在很短的時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出單調(diào)的行為，在整個(gè)進(jìn)化過(guò)程中幾乎沒(méi)有變化。”

安全協(xié)議和兼容的細(xì)胞庫(kù)  

基于重編程人類細(xì)胞的細(xì)胞模型正在成為動(dòng)物研究和臨床應(yīng)用之間的相關(guān)中間步驟?；谥匦戮幊痰娜祟惣?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(yàn)。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(kù)是這一研究領(lǐng)域最雄心勃勃的挑戰(zhàn)之一。

Daniel Tornero說(shuō):“這些新方法對(duì)于臨床前驗(yàn)證不同的治療方法非常有價(jià)值，特別是在研究影響基于神經(jīng)元回路組織的復(fù)雜過(guò)程的病理時(shí)(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。

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