“突破”方法可用於研究肌萎縮側索硬化和類似疾病

科學家們已經開發出一種新方法，使他們能夠從乾細胞中培養出成熟的神經細胞——這種技術可用於研究肌萎縮側索硬化症(ALS) 等疾病。

“這是我們第一次能夠在幹細胞衍生的 ALS 患者運動神經元中看到成人發病的神經學蛋白聚集。這代表了一項突破，”該研究的共同作者 Evangelos Kiskinis 博士在一份大學新聞稿中說。Kiskinis 是伊利諾伊州埃文斯頓西北大學的教授。

研究人員表示，該方法還適用於開發 ALS 和其他神經系統疾病的細胞替代療法。

這項名為“移動分子的人工細胞外基質支架增強人類幹細胞衍生神經元的成熟”的研究發表在 Cell Stem Cell上。

誘導性多能幹細胞 (iPSC) 徹底改變了神經系統疾病的細胞研究。通過使用一組特定的生化操作，可以將皮膚或血細胞等易於獲取的細胞轉化為乾細胞。然後乾細胞可以生長成其他類型的細胞，包括神經元（神經細胞）。

儘管源自 iPSC 的神經元已成為一種重要的研究工具，但這種方法有明顯的局限性：iPSC 衍生的神經元通常不會完全成熟，而且它們的存活時間不會很長。這是研究中的一個問題，也意味著 iPSC 衍生的神經元不太適合治療用途。

“當你擁有一個 iPSC 並且你設法將其轉變為一個神經元時，它將成為一個年輕的神經元。但是為了讓它在治療意義上有用，你需要一個成熟的神經元。否則，這就像要求嬰兒執行需要成年人才能執行的功能，”西北大學的研究合著者塞繆爾·斯圖普博士說。

細胞外基質

傳統 iPSC 系統中限制神經元發育的主要因素之一是缺乏細胞外基質 (ECM)——圍繞細胞的蛋白質和其他分子網絡。ECM 提供關鍵的支架以賦予組織結構，還提供信號以提示細胞發育和活動。

重要的是，ECM 不是靜態結構；相反，它處於恆定的動態運動中。ECM 中的信號分子以及它們相互作用的細胞受體每秒可以移動數百或數千次。

“這些時間尺度太快了，很難把握，”斯圖普說。

在這項研究中，研究人員開發了一種合成版本的 ECM，可用於促進 iPSC 發育成更成熟的神經元。簡單地說，合成的 ECM 包含以類似於網或網格的方式排列的線狀分子，並飾有促進神經元生長的信號分子。“線程”的排列方式使它們以類似於 ECM 的方式不斷地相互滑動和滑動。

“我們認為這有效的原因是因為受體在細胞膜上移動得非常快，我們支架的信號分子也移動得非常快，”Stupp 說。“他們更有可能同步。如果兩個舞者不同步，則配對無效。受體通過非常特定的空間相遇被信號激活。我們快速移動的分子也有可能增強受體運動，這反過來有助於將它們聚集在一起以有益於信號傳導。”

在一系列實驗中，研究人員證明他們的合成 ECM 可用於產生更成熟的 iPSC 衍生神經元。值得注意的是，他們表明，最好的效果是用最具活力、移動速度最快的一組分子獲得的。

“我們的結果表明運動在細胞信號傳導中起著重要作用，”該團隊寫道，並補充說該結果“為信號運動在調節細胞行為中的關鍵重要性提供了直接證據。”

接下來，研究人員使用他們的新系統生成 iPSC 衍生的神經元，這些神經元在 SOD1 基因中存在突變，這種突變存在於 12-20% 的家族性肌萎縮側索硬化病例和 1-2% 的散發病例中。突變的基因導致異常 SOD1 蛋白的產生，該蛋白在細胞中形成團塊。

潛在的 ALS 研究工具

當使用合成 ECM 系統生成神經元時，與使用其他方法時相比，具有 SOD1 蛋白團塊的細胞數量明顯增加。這表明這些神經元可能是未來研究的寶貴工具。

“目前還不清楚這種聚集是如何引發這種疾病的。這是我們希望首次發現的東西，”Kiskinis 說。

研究人員推測這項技術也可以應用於 ALS 細胞替代療法的開發，儘管他們強調在這種療法可行之前還需要進行更多的研究。

Stupp 說：“我們可以將我們的塗層整合到大規模製造患者來源的神經元中，用於細胞移植療法而不會出現免疫排斥反應。”

“細胞替代療法對於像 ALS 這樣的疾病來說可能非常具有挑戰性，因為脊髓中移植的運動神經元需要將它們的長軸突投射到周圍適當的肌肉部位，但對於帕金森病來說可能更直接，”Kiskinis 說。“無論哪種方式，這項技術都將具有變革性。”