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脑内在体细胞转化技术研究

更新时间:2020-05-25 09:20点击:

人的大脑有几百亿的神经元,大部分神经元是与生俱来的。如果大脑损伤了, 比如脑中风或得了老年痴呆症等神经退行性疾病,大脑神经元就会死亡,与这些神经元相关的脑功能就会丧失,如何修复大脑是一个世界性难题。
  以脑中风为例, 在过去的几十年里, 全世界研究机构和制药公司投入了成百上千亿的资金用于新药研发, 有一千多个药物进入前期临床试验, 其中有一百多个进入正式临床试验,结果绝大多数药物均失败了。现在临床应用于脑中风治疗的主要药物仍是降低血液粘稠度, 对大脑功能的恢复并无多大帮助。究其原因, 大部分药物都不可能将死去的神经元复生。 于是科学家想通过干细胞移植来再生神经元, 这在理论上是有可能实现的, 但在实际操作上遇到了许多问题. 一是移植来的细胞在宿主体内会引起强烈的免疫排斥反应, 导致大部分移植的细胞死亡. 二是移植来的细胞在体内不一定会分化为理想的细胞, 甚至有可能发生癌变. 尽管这些问题有朝一日是有可能解决的, 但目前看来直接利用干细胞进行大脑修复还有很多不确定因素。
  美国宾夕法尼亚州立大学生物系Verne M. Willaman 冠名主任教授陈功博士带领的研究团队 ( 郭梓园.张磊.吴政.陈昱晨和王帆 ) 最近研发出了一种无需干细胞移植就能在大脑内再生神经元的全新技术 , 为全世界的脑中风和老年痴呆症患者带来了福音。 该技术的发明是受到诺贝尔奖得者山中伸弥 (Shinya Yamanaka) 的诱导性多功能干细胞研究的启发。 山中伸弥运用 4 个转录因子成功地将皮肤细胞重编程为多功能干细胞。当许多干细胞工作者沿着山中伸弥的道路在细胞培养皿里把一种细胞转化成另一种细胞时 , 陈功教授却在思考如何把这门技术运用于大脑损伤后的修复 . 作为一名长期从事大脑研究的神经科学家 , 陈功教授注意到许多报道表明脑损伤和脑疾病会在神经元死亡的同时导致应激型胶质细胞增加。于是,陈功教授大胆地设想也许能够将应激型胶质细胞转变成功能性神经元用于脑损伤修复。胶质细胞在人的大脑里比神经元数量还要多 , 它们和神经元都是由神经干细胞分化而成 , 所以这两类细胞有一定的共性。胶质细胞对于维持大脑的正常功能起着重要作用 , 它们能吸纳有细胞毒性的小分子并保持水盐平衡。更重要的是 , 胶质细胞伸出的伪足是形成血脑屏障的关键 .。当大脑受到损伤或发生病变时,神经元和胶质细胞都会受到侵害。 神经元通常会死亡或发生褪行性病变,由于神经元不能分裂 , 一旦神经元死亡后 , 其所执行的脑功能就可能永久丧失 ;胶质细胞则不同 , 即便有些胶质细胞死亡 , 其他胶质细胞却会被损伤或病变激活并分裂增生,这些胶质细胞被称为应激型胶质细胞。应激型胶质细胞是对脑损伤的一种保护反应,它们迅速渗入损伤部位 , 交织成一堵密封不漏的防御网 , 阻止细菌和毒素侵袭损伤周围的健康组织。然而 , 遗憾的是这些胶质细胞在有效地控制损伤部位之后 , 并不会陆续撤离 , 而是长期占领损伤的脑组织 , 最终形成胶质疤痕并阻止神经元再生。陈功教授经常把脑损伤部位比作车祸现场,应激型胶质细胞就如同赶赴现场的救护车 . 警车和消防车。它们的到来是必要的 , 但是如果许多前来救助的车辆堵在事发地却再也不离开 , 那么这一事发现场就再也无法有车辆通行了。
  同样地,当许多应激型胶质细胞长期滞留在损伤部位并形成胶质疤痕以后 , 该部位所对应的脑功能也就不复存在了。陈功教授所带领的团队就是要将这些胶质疤痕转变成有正常的脑组织。如何将应激型胶质细胞转化为神经元 ? 陈功教授首先从一位德国教授那里得到了一个可以表达 Neurogenin2 的质粒。 如前人所述 , Neurogenin2 可以把培养的小鼠胶质细胞转化为神经元。 但是 , 当把 Neurogenin2 表达到小鼠的大脑皮层里时 , 它却没有在体转化功能 ! 也就是说 , 在体转化和体外培养的细胞转化有很大的不同, 必须重新探索。
  什么样的因子能够在大脑内进行在体转化呢 ? Neurogenin2 在大脑早期发育过程中起重要作用 , 但在成熟大脑中表达很低。相反 , 有工作表明 NeuroD1 在成年小鼠的海马脑区对成年神经元的发生起着重要作用。陈功教授便设想在成年小鼠发生脑损伤后 , 也许应该试验 NeuroD1 是否能够诱导新的神经元。
  为了证明这个假说,陈功教授的博士生郭梓园将编码 NeuroD1 的逆转录病毒注射到成年小鼠的大脑皮层里感染应激型胶质细胞。该逆转录病毒具有复制缺陷因而比较安全,不会像自然界中的许多病毒那样杀死被感染的细胞。更为重要的是,逆转录病毒只感染可分裂的应激型胶质细胞,对于不能分裂的在体神经元没有影响。与 Neurogenin2 不同 , 在成年小鼠大脑皮层中注射 NeuroD1 逆转录病毒后 , 起先感染的应激型胶质细胞在一周之内,逐渐发生细胞形态的改变 , 由应激型胶质细胞转变成了神经元 ! 这是一个激动人心的新发现 , 因为它标志着受损伤而激活的应激型胶质细胞可以在单个神经转录因子的作用下被“重新编程”为神经元 , 从而为逆转胶质疤痕将其重新改造成为正常的脑组织奠定了科学基础。接着 , 陈功教授的博士后吴政在小鼠脑薄片上记录了由胶质细胞转化而来的新生神经元的电生理活动,他们发现 NeuroD1 诱导的新生神经元能够发放动作电位和接收其它成年神经元传来的突触信息,表明这些转化而来的新生神经元已经整合到已有的大脑神经网络中。
  应激型胶质细胞不仅发生在脑损伤之后,在神经退行性疾病中也广泛存在,于是 , 陈功团队利用一种能模拟老年痴呆症的转基因小鼠 , 在其大脑皮层中注射 NeuroD1 逆转录病毒 , 他们发现老年痴呆症小鼠大脑内的应激型胶质细胞同样可以被 NeuroD1 转变成功能性神经元。值得一提的是,即使是 14 个月龄的老年痴呆症转基因小鼠 , 大致相当于人类 60 岁左右 , 应激型胶质细胞仍然可以被转化成大量的新生神经元。这为许多老年痴呆症患者带来了新希望 ! 然而 , 人脑毕竟不同于小鼠。 许多小鼠上成功的药物实验并没有能够应用到病人身上。 为了测试这种胶质细胞转化为神经元的新技术是否能够有朝一日应用到临床试验,陈功教授领导的团队用 NeuroD1 逆转录病毒感染了培养的人星形胶质细胞。他们在显微镜下惊喜地观察到人类星形胶质细胞在 NeuroD1 的诱导下进行着激动人心的自我改造 :其形态逐渐由扁平状的胶质细胞变成了立体的有神经细胞体和轴突及树突的典型大脑神经元。同样地 , 一系列电生理测试指标表明这些由人的胶质细胞转化而来的新生神经元能够发放动作电位并形成功能性神经网络。因此 , 有理由相信这一脑内在体细胞转化技术将来能够有望开发成用于治疗脑创伤 . 脑中风 . 老年痴呆症和帕金森综合征等一系列重大脑疾病的全新疗法。
  陈功教授的这项开创性研究已经发表于国际着名干细胞杂志《细胞干细胞》上 , 并引起国际同行的广泛关注。世界各地的脑疾病患者也纷纷给陈功教授写电子邮件或直接打电话询问该项技术何时能用于治疗病人。 2014 年4 月初 , 应 Deepak Srivastava 和诺贝尔奖获得者 Shinya Yamanaka 的邀请 , 陈功教授在 Keystone 国际干细胞会议上作了大会报告 , 反响强烈 . 与会的不少国际同行称该新技术为人类攻克脑损伤与脑疾病的一个重大突破。陈功教授在会上还介绍了实验室最近的新进展 , 即用腺相关病毒将细胞转化效率大大提高。同时 , 陈功实验室也在发展一种不依赖于病毒 , 而用小分子来诱导细胞转化的新方法。 尽管目前的科学技术已经把许多病毒改造得失去自我复制功能 , 从而大大降低了病毒的危害 , 但大众心理对病毒仍有所顾忌。因此 , 小分子转化技术将会受到大众的欢迎 , 并有可能制成药丸 , 便于服用 , 并降低治疗成本。 陈功教授和他的团队拥有一个共同的梦想 , 那就是让老年痴呆症患者重新学习记忆新东西 , 让脑中风患者丢掉拐杖重新行走!

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