人類(lèi)大腦神經(jīng)由于區域的高度局限性，再生能力極其有限，這極大地阻礙了損傷或疾病導致的神經(jīng)元功能障礙甚至喪失功能后的神經(jīng)元再生或功能恢復。而將外源性神經(jīng)元干細胞移植到大腦中會(huì )遇到一些難以解決的問(wèn)題，如免疫排斥和誘發(fā)腫瘤的風(fēng)險。最近有研究發(fā)現內源性膠質(zhì)細胞可以直接轉分化為功能性神經(jīng)元，為成人神經(jīng)再生提供了新的思路。
2021年7月20日，Fengchao Wang教授領(lǐng)導的研究團隊在Neurosci. Bulletin雜志上發(fā)表了名為Reprogramming Glial Cells into Functional Neurons for Neuro-regeneration: Challenges and Promise的研究綜述，作者詳細闡述了膠質(zhì)細胞直接轉分化基本分子機制、關(guān)鍵細胞因子的發(fā)現，如膠質(zhì)細胞的起源和神經(jīng)內環(huán)境，以及未來(lái)研究應用中的挑戰。作者表示，雖然原位膠質(zhì)細胞直接轉分化獲取神經(jīng)元在神經(jīng)元修復方面具有巨大潛力，但它仍需要大量的研究來(lái)為治療應用鋪平道路。
在研究進(jìn)程中，研究人員發(fā)現，組織再生能力與生物進(jìn)化等級呈一定的反比狀態(tài)，例如，硬骨魚(yú)的視網(wǎng)膜在受傷后具有顯著(zhù)的神經(jīng)元再生的能力而這種能力在鳥(niǎo)類(lèi)中受到嚴重限制，在嚙齒動(dòng)物中則完全不存在。在大多數的哺乳動(dòng)物中，器官修復的可能性非常低，特別是中樞神經(jīng)系統（CNS）在受傷或疾病后神經(jīng)元自我再生能力極小。研究人員認為，成熟的哺乳動(dòng)物大腦無(wú)法產(chǎn)生大量新的神經(jīng)元。然而，許多神經(jīng)系統疾病，特別是神經(jīng)退行性疾病，如帕金森，亨廷頓、肌萎縮性側索硬化癥等都與神經(jīng)元顯著(zhù)退化或缺失有關(guān)。雖然在少數哺乳動(dòng)物的成熟大腦中的潛伏區發(fā)現有神經(jīng)干細胞（NSC），其中在海馬結構和下丘腦中NSC可以原位增殖分化成成熟神經(jīng)元，但人類(lèi)大腦中是否存在相同的NSC仍在研究之中。此外，也有研究人員表示，NSC提供的神經(jīng)元數量太少，無(wú)法修復成人或動(dòng)物大腦中神經(jīng)系統疾病造成的神經(jīng)元損失。
因此，一個(gè)長(cháng)期備受青睞的理論假設是：在CNS的細胞病變部位再生新的神經(jīng)元是治療神經(jīng)性疾病的可行方法。鑒于內源性NSC的再生能力有限，在過(guò)去的幾十年中，科研人員做了大量的研究，以開(kāi)發(fā)其他方法在CNS中實(shí)現神經(jīng)再生。但是，NSC以及其分化的神經(jīng)元的移植面臨著(zhù)一些挑戰，如相關(guān)的免疫排斥、基因突變導致腫瘤產(chǎn)生的風(fēng)險、倫理問(wèn)題以及供體短缺的問(wèn)題。此外，移植也不可避免地擾亂該位置的內部環(huán)境，經(jīng)常會(huì )導致嚴重的炎癥或腦水腫引起的阻塞性腦積水。然而膠質(zhì)細胞直接轉分化不僅避免了上述問(wèn)題，還具有安全與效率遠高于NSC移植的優(yōu)點(diǎn)，因此直接轉分化越來(lái)越受到重視。
細胞轉分化，也稱(chēng)細胞重編程，是指利用合適的生物因子組合，不經(jīng)過(guò)中間多能狀態(tài)，將成熟的體細胞轉分化為另一種成熟體細胞的技術(shù)。將膠質(zhì)細胞直接轉分化獲取神經(jīng)元一般有兩個(gè)步驟：1.抑制膠質(zhì)特異性基因表達；2.引起關(guān)鍵基因的表達。目前直接誘導膠質(zhì)細胞轉分化獲取神經(jīng)元的方法主要有三種：1.直接或間接的過(guò)表達單個(gè)TF或者TF組合的生物因子。2.使用化學(xué)小分子。3.抑制PTB基因。雖然已經(jīng)有多種方法實(shí)現轉分化，但其分子作用機制仍不是十分清楚。最近在活體延時(shí)細胞成像、實(shí)時(shí)qRT-PCR和RNA測序技術(shù)方面的突破揭示了直接轉分化的部分分子作用機制。
圖片來(lái)源于《Reprogramming Glial Cells into Functional Neurons for Neuro-regeneration: Challenges and Promise》
研究人員使用高通量RNA測序技術(shù)和染色質(zhì)免疫沉淀技術(shù)研究確定，在將星形膠質(zhì)細胞轉分化神經(jīng)元的過(guò)程中，與Ascl1相關(guān)的大約有107個(gè)下游目的基因。在這些目的基因中，TFs Klf10調控Ascl1直接轉分化過(guò)程中早期神經(jīng)發(fā)育，Myt1和Myt1l調控后期的電生理成熟，而TF Neurod4和染色質(zhì)重塑因子Chd7則參與調控整個(gè)過(guò)程。此外，表觀(guān)遺傳修飾也參與細胞轉分化過(guò)程，通過(guò)增加染色質(zhì)的可訪(fǎng)問(wèn)性，過(guò)表達TF等生物因子完成轉分化。在成熟哺乳動(dòng)物CNS中，膠質(zhì)細胞具有天然的增殖能力和廣泛的分布，這讓膠質(zhì)細胞成為直接轉分化神經(jīng)元最理想的啟動(dòng)細胞。
在哺乳動(dòng)物大腦中，膠質(zhì)細胞具有高度異質(zhì)性和多樣性，主要有星形膠質(zhì)細胞、NG2細胞和小膠質(zhì)細胞。迄今為止，研究人員已經(jīng)驗證這三種類(lèi)型都可以在體內直接轉分化神經(jīng)細胞。如在視網(wǎng)膜中，Müller膠質(zhì)細胞通過(guò)過(guò)表達Ascl1和抑制PTB基因來(lái)轉分化為雙極細胞、無(wú)長(cháng)突細胞和結節投射神經(jīng)元。研究人員表示，在神經(jīng)退化或創(chuàng )傷性損傷后，反應性膠質(zhì)細胞會(huì )迅速增值，然后形成膠質(zhì)疤痕，以防止神經(jīng)元組織進(jìn)一步損傷?？紤]到這個(gè)過(guò)程會(huì )涉及各種膠質(zhì)細胞，反應過(guò)程十分復雜，如果膠質(zhì)細胞直接轉分化獲得神經(jīng)元的過(guò)程可以很好的控制，在損傷后的特定的時(shí)間點(diǎn)影響特定的膠質(zhì)類(lèi)型，例如在膠質(zhì)疤痕的形成階段控制星形膠質(zhì)細胞直接轉分化，將會(huì )是一個(gè)理想的治療方法。精 確控制膠質(zhì)細胞直接轉分化過(guò)程獲取所需的神經(jīng)元，在神經(jīng)退行性疾病的研究和治療應用方面具有巨大的潛力。
盡管前景良好，這仍然有一個(gè)根本性問(wèn)題：新生成的神經(jīng)元是否具有內源性神經(jīng)元類(lèi)似的功能，如突觸的形成、傳遞信號能力、與宿主神經(jīng)元形成正確交錯連接的能力等。對此，作者整合前人研究并驗證之后表示，誘導神經(jīng)元的形態(tài)學(xué)和電生理學(xué)結果直接表明，膠質(zhì)細胞的直接轉分化可以產(chǎn)生與鄰近內源神經(jīng)元功能相似的神經(jīng)元。此外，有新的研究表明，這些新的誘導神經(jīng)元可以通過(guò)在體內不同的大腦區域形成神經(jīng)末梢并正確連接，整合到現有的神經(jīng)回路中。多個(gè)研究結果表明了膠質(zhì)細胞應用的各種可能性，除了NSC移植外，還可以為受傷或患病的大腦提供神經(jīng)再生的替代細胞源。
目前膠質(zhì)細胞的直接轉分化應用仍面臨幾個(gè)巨大的挑戰，首先，基于病毒的基因重組系統有外來(lái)病毒的風(fēng)險。其次，在各種腦部疾病中丟失的神經(jīng)元各不相同，相應的誘導神經(jīng)元需要不同的生物因子組合來(lái)進(jìn)行轉分化，目前而言，這仍在研究之中。最后，對人類(lèi)膠質(zhì)細胞直接轉分化的研究幾乎都是在動(dòng)物身上完成的，目前仍缺少系統的研究。此外，由于倫理問(wèn)題，膠質(zhì)細胞轉分化獲取神經(jīng)元的實(shí)驗不能直接在人腦中進(jìn)行，因此，膠質(zhì)細胞直接轉分化神經(jīng)元在神經(jīng)退行性疾病的研究應用上，仍有很長(cháng)的路要走。
易賽騰生物科技有限公司 李福云編譯
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