移植源自人類多能干細(xì)胞的神經(jīng)元前體，是治療與神經(jīng)元缺失有關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病（如神經(jīng)退行性疾病、腦外傷和中風(fēng)）的一種前景廣闊的療法。

將干細(xì)胞分化出的移植神經(jīng)元與宿主受損神經(jīng)元回路進(jìn)行功能整合，一直是大腦修復(fù)細(xì)胞治療策略的一大挑戰(zhàn)。盡管其他細(xì)胞類型或機(jī)制可提供適度的臨床改善，但受損區(qū)域的神經(jīng)元替代和重建對(duì)最佳和長(zhǎng)期恢復(fù)至關(guān)重要。

這一過程包括三個(gè)重要方面（圖1）：(1）產(chǎn)生代表受損腦區(qū)的特定神經(jīng)元亞型；（2）形成從宿主大腦到移植神經(jīng)元的功能性傳入突觸連接；（3）建立從移植細(xì)胞到宿主大腦特定區(qū)域的功能性傳出突觸聯(lián)系。

我們之前的研究表明，人皮源性神經(jīng)前體移植到缺血性中風(fēng)后大鼠的軀體感覺皮層后，會(huì)形成與位于大腦該區(qū)域的內(nèi)源性神經(jīng)元相似的傳入突觸連接模式，并與適當(dāng)宿主大腦結(jié)構(gòu)的神經(jīng)元形成傳出連接。最近使用動(dòng)物模型進(jìn)行的其他研究進(jìn)一步證明了移植細(xì)胞與受損宿主大腦回路的功能整合能力。有趣的是，將人類大腦皮層神經(jīng)元移植到成人大腦皮層的體外器官型培養(yǎng)物上，也證明了宿主和移植細(xì)胞之間建立了傳入和傳出突觸。然而，功能恢復(fù)和新神經(jīng)元融入大腦網(wǎng)絡(luò)背后的機(jī)制仍存在一些未知之處，近日，巴塞羅那大學(xué)生物醫(yī)學(xué)系、神經(jīng)科學(xué)研究所將對(duì)此進(jìn)行討論（圖1）。

電路重建過程中會(huì)達(dá)到哪種特異性水平？

要回答這個(gè)問題，我們必須考慮到移植神經(jīng)元的區(qū)域特性對(duì)于正確重建神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。在這方面，細(xì)胞特性決定了從移植神經(jīng)元到不同宿主腦區(qū)的傳出連接的形成，這一過程需要幾個(gè)月的時(shí)間，因?yàn)槿祟惿窠?jīng)元的成熟期比小鼠神經(jīng)元長(zhǎng)，有時(shí)新形成的軸突需要長(zhǎng)時(shí)間，例如從一個(gè)半球到另一個(gè)半球。相比之下，通過使用基于狂犬病毒的單突觸追蹤，可以在早期時(shí)間點(diǎn)（移植后6-8周）觀察到宿主神經(jīng)元（包括非相鄰腦區(qū)的神經(jīng)元）與移植細(xì)胞之間形成廣泛的傳入連接。因此，這些突觸接觸很可能是在靶神經(jīng)元死亡后作為重新連接而建立的，或作為先前存在的軸突的次級(jí)分支而建立的。在這種情況下，早期傳入模式將由移植位置決定，而與移植細(xì)胞產(chǎn)生的神經(jīng)元亞型無關(guān)。有趣的是，在大鼠紋狀體異位移植多巴胺能神經(jīng)祖細(xì)胞會(huì)導(dǎo)致不同的傳入連接模式，這與將相同細(xì)胞移植到黑質(zhì)時(shí)觀察到的模式不同。

值得注意的是，神經(jīng)祖細(xì)胞的全身注射（即靜脈注射或動(dòng)脈內(nèi)注射）導(dǎo)致對(duì)腦實(shí)質(zhì)的浸潤(rùn)有限，因此整合能力較低。因此，移植位置和移植細(xì)胞的區(qū)域特性將決定電路重建過程中達(dá)到的特異性程度。同樣，移植神經(jīng)元的成熟階段和神經(jīng)元命運(yùn)的決定也會(huì)影響細(xì)胞的存活率和突觸連接性：過于成熟的神經(jīng)元會(huì)降低存活率，而過早的祖細(xì)胞則會(huì)導(dǎo)致異質(zhì)性細(xì)胞產(chǎn)物和非特異性功能重建（如帕金森病人移植人類胎兒神經(jīng)元后產(chǎn)生的5-羥色胺能神經(jīng)元）。

移植細(xì)胞是否保留了大腦的結(jié)構(gòu)組織？

這個(gè)問題對(duì)于大腦皮層等顯示不同神經(jīng)亞型特定組織的區(qū)域尤為重要。位于大腦皮層特定層的神經(jīng)元在功能上是特化的，其特征是表達(dá)特定層的轉(zhuǎn)錄因子。例如，Tbr1是一種在大腦皮層第5層和第6層的皮質(zhì)丘腦投射神經(jīng)元中高度表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子，在含有皮質(zhì)有緣祖細(xì)胞的移植物深層區(qū)域，Tbr1的表達(dá)量是無緣細(xì)胞的3倍。因此，如果成體大腦中新形成的神經(jīng)元的組織是由局部線索引導(dǎo)的，那么具有適當(dāng)身份的細(xì)胞將更有效地響應(yīng)這些信號(hào)，從而更緊密地重建大腦皮層結(jié)構(gòu)。從功能角度來看，有研究表明，移植到成年小鼠受損視覺皮層的小鼠胎兒神經(jīng)祖細(xì)胞能整合到宿主網(wǎng)絡(luò)中，并表現(xiàn)出刺激選擇性反應(yīng)。這些移植細(xì)胞接收來自宿主神經(jīng)元的傳入輸入，包括拓?fù)浣M織的基因-皮層連接。使用人類細(xì)胞也獲得了類似的結(jié)果。

然而，目前仍不清楚新形成的神經(jīng)元如何準(zhǔn)確復(fù)制受損區(qū)域原有的空間組織。在這方面，最新的空間分辨率全轉(zhuǎn)錄組分析技術(shù)有助于回答這個(gè)問題。從技術(shù)角度看，區(qū)分移植細(xì)胞和宿主細(xì)胞的能力也很重要。如果移植細(xì)胞與受體動(dòng)物來自同一物種（異體移植），則需要使用熒光報(bào)告物、PKH染料或納米粒子進(jìn)行標(biāo)記。

神經(jīng)元特性是在有絲分裂后的神經(jīng)元中已經(jīng)確定，還是在神經(jīng)元與目標(biāo)連接后才獲得？

最近發(fā)表的使用電子顯微鏡和基于狂犬病毒的單突觸追蹤的結(jié)果表明，在大鼠中風(fēng)模型中移植的人類祖細(xì)胞衍生的神經(jīng)元向大腦對(duì)側(cè)半球發(fā)出投射，并與宿主神經(jīng)元建立突觸聯(lián)系。此外，經(jīng)胼胝體連接的移植細(xì)胞表達(dá)皮質(zhì)胼胝體投射神經(jīng)元標(biāo)記，表明這一通路的特定重建。然而，目前還不清楚移植的神經(jīng)元是在建立突觸連接之前獲得其命運(yùn)，還是突觸連接的形成決定了新形成神經(jīng)元的命運(yùn)。在第一種情況下，承諾神經(jīng)元擁有引導(dǎo)軸突到達(dá)適當(dāng)目標(biāo)的信息；而在第二種情況下，軸突的定向伸長(zhǎng)遵循共同的內(nèi)源性信號(hào)（如白質(zhì)通路），一旦形成突觸連接，與目標(biāo)神經(jīng)元的交流將決定移植神經(jīng)元的命運(yùn)。

眾所周知，新形成的神經(jīng)元的特性在大腦發(fā)育的早期階段就已確立，并由發(fā)育信號(hào)的精確時(shí)空調(diào)控決定。然而，這些發(fā)育信號(hào)在多大程度上仍然存在于成人大腦中還不清楚，必須進(jìn)一步探索。重要的是，移植部位的微環(huán)境，包括細(xì)胞因子的類型和免疫反應(yīng)的細(xì)胞元素，會(huì)從腦損傷的急性階段到慢性階段發(fā)生變化，從而對(duì)移植細(xì)胞的成熟和整合起到不同的作用。

神經(jīng)元替代能在多大程度上促進(jìn)動(dòng)物的功能恢復(fù)？

要評(píng)估細(xì)胞療法對(duì)腦組織功能恢復(fù)的貢獻(xiàn)，最有說服力和最優(yōu)雅的策略是使用光遺傳學(xué)或化學(xué)遺傳學(xué)（即使用專門設(shè)計(jì)的受體由專門設(shè)計(jì)的藥物激活）使移植的神經(jīng)元沉默。據(jù)我們所知，只有兩篇文章采用了這種策略。第一篇文章將表達(dá)光門控氯化物泵halorhodopsin的人類胚胎干細(xì)胞衍生間腦多巴胺能神經(jīng)元移植到帕金森病小鼠模型的紋狀體中。通過走廊測(cè)試，作者發(fā)現(xiàn)移植動(dòng)物從病變引起的帕金森運(yùn)動(dòng)障礙中恢復(fù)過來，并且光誘導(dǎo)的移植活性沉默可逆地重新引入了小鼠的側(cè)向行為。

另一篇文章介紹了在中風(fēng)大鼠模型中獲得的結(jié)果。在這項(xiàng)工作中，人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生的皮層神經(jīng)元移植到影響軀體感覺和運(yùn)動(dòng)皮層的缺血性病灶附近，促進(jìn)了動(dòng)物的功能恢復(fù)。表達(dá)鹵化表皮素的移植神經(jīng)元的光遺傳沉默導(dǎo)致大鼠在移植6個(gè)月后出現(xiàn)雙側(cè)功能障礙（圓筒測(cè)試）。與帕金森氏癥模型的研究結(jié)果相反，第二項(xiàng)研究并未發(fā)現(xiàn)在抑制移植細(xì)胞的神經(jīng)元活動(dòng)時(shí)，未處理組的大鼠會(huì)出現(xiàn)側(cè)向功能障礙。這種差異可能是由于移植細(xì)胞在帕金森病小鼠模型中的異位位置（多巴胺能神經(jīng)元天然位于黑質(zhì)，而移植細(xì)胞被置于紋狀體）。這很可能會(huì)阻礙原有回路的重建，受損動(dòng)物紋狀體中多巴胺的釋放只能依賴于移植神經(jīng)元的活動(dòng)。

在第二項(xiàng)研究中，移植神經(jīng)元的正確位置會(huì)促進(jìn)特定傳入和傳出突觸連接的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致原有回路的重建，尤其是跨胼胝體的溝通。這可能解釋了在大鼠中風(fēng)模型中，沉默移植神經(jīng)元后觀察到的雙側(cè)功能障礙。正如使用注射了表達(dá)鹵化核糖蛋白慢病毒的完整大鼠所顯示的那樣，沉默其中一個(gè)半球的軀體感覺區(qū)和鄰近運(yùn)動(dòng)區(qū)的皮質(zhì)神經(jīng)元會(huì)導(dǎo)致雙側(cè)功能障礙，這表明當(dāng)抑制功能整合在大腦這一區(qū)域的神經(jīng)元的活動(dòng)時(shí)，這應(yīng)該是預(yù)期的結(jié)果。這兩項(xiàng)研究表明，移植神經(jīng)元衍生活動(dòng)有助于動(dòng)物模型的長(zhǎng)期功能恢復(fù)，為臨床應(yīng)用的開發(fā)開辟了新途徑。

總之，動(dòng)物模型研究的最新進(jìn)展提供了支持性證據(jù)，證明新的神經(jīng)元可以替代受傷后死亡的細(xì)胞，這是大腦功能長(zhǎng)期最佳恢復(fù)的一個(gè)關(guān)鍵方面。未來的研究應(yīng)著眼于了解干細(xì)胞療法修復(fù)腦損傷的有益作用背后的機(jī)制。盡管這種方法存在一些明顯的局限性，但干細(xì)胞治療的臨床應(yīng)用正在成為現(xiàn)實(shí)?；A(chǔ)研究與臨床研究之間的相互協(xié)作，應(yīng)有助于克服干細(xì)胞療法在臨床實(shí)踐中目前的局限性和未來的挑戰(zhàn)。

參考資料：Tornero D. Neuronal circuitry reconstruction after stem cell therapy in damaged brain. Neural Regeneration Research. 2022 Sep;17(9):1959-1960. DOI: 10.4103/1673-5374.335145. PMID: 35142674; PMCID: PMC8848622.

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