研究揭示新型分子標(biāo)記物實(shí)現(xiàn)可預(yù)測的帕金森病細(xì)胞治療結(jié)果
| 來源: 腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 【字號(hào):大 中 小】
6月15日,The Journal of Clinical Investigation在線發(fā)表了題為《人類中腦多巴胺能神經(jīng)細(xì)胞分化標(biāo)志物預(yù)測帕金森病細(xì)胞治療結(jié)果》的研究論文。該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心(神經(jīng)科學(xué)研究所)、靈長類神經(jīng)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海腦科學(xué)與類腦研究中心陳躍軍研究組完成。該研究解析了中腦多巴胺能神經(jīng)分化的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜,發(fā)現(xiàn)了中腦多巴胺能神經(jīng)祖細(xì)胞的特異性表面蛋白分子,并應(yīng)用它們來獲得高純度的目的供體細(xì)胞,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且可預(yù)測的帕金森病細(xì)胞治療結(jié)果。
帕金森病主要是源于中腦黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元的退行性病變和丟失,造成紋狀體多巴胺含量顯著性減少,從而引起肌張力增高、運(yùn)動(dòng)遲緩、靜止性震顫和步態(tài)異常等運(yùn)動(dòng)功能障礙。臨床上尚無治愈帕金森病的有效方案,目前的治療方法主要是對(duì)癥治療,包括以左旋多巴為代表的藥物治療和深部腦刺激。然而,藥物治療只在早期階段有效,而腦深部刺激只適用于部分病人,隨訪成本高,且會(huì)引起抑郁癥等副作用,因此急需開發(fā)新的治療策略和方法。
細(xì)胞替代療法(細(xì)胞治療)被認(rèn)為是頗有前景的PD治療策略。細(xì)胞治療通過移植外源神經(jīng)細(xì)胞補(bǔ)充丟失的多巴胺能神經(jīng)元,進(jìn)而恢復(fù)腦內(nèi)多巴胺釋放水平,解救患者運(yùn)動(dòng)功能障礙。人多能干細(xì)胞,包括人胚胎干細(xì)胞和人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞,可以通過體外分化產(chǎn)生可移植的中腦多巴胺能神經(jīng)祖細(xì)胞,為細(xì)胞治療提供了大量的可再生的細(xì)胞資源。多個(gè)國家相繼開展了基于人多能干細(xì)胞技術(shù)的PD細(xì)胞治療臨床試驗(yàn),仍有需要解決的問題,例如,體外分化得到的移植用供體細(xì)胞(donor cells)存在高度異質(zhì)性;供體細(xì)胞移植后,腦內(nèi)移植物中的目標(biāo)神經(jīng)元(多巴胺能神經(jīng)元)的比例通常較低(不超過10%);移植物的細(xì)胞組成未知。因此,如何獲得標(biāo)準(zhǔn)化的神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)品,以確保移植后穩(wěn)定且可預(yù)測的治療效果,仍是帕金森病細(xì)胞治療在臨床上更廣泛和更安全應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)。
研究首先繪制了人多能干細(xì)胞向中腦多巴胺能神經(jīng)細(xì)胞分化的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜,發(fā)現(xiàn)了多巴胺能神經(jīng)細(xì)胞的體外分化過程模擬多個(gè)但相鄰的人胎腦區(qū)域的發(fā)育過程,包括腹側(cè)中腦、中腦-后腦邊界(MHB,也稱峽部)和腹側(cè)后腦,其中只有部分腹側(cè)中腦細(xì)胞可以進(jìn)一步分化為中腦多巴胺能神經(jīng)元,而其他腦區(qū)的細(xì)胞則主要分化為GABA能神經(jīng)元、谷氨酸能神經(jīng)元、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元和5-羥色胺能神經(jīng)元。這解釋了人多能干細(xì)胞向中腦多巴胺能神經(jīng)細(xì)胞分化產(chǎn)生異質(zhì)性細(xì)胞類群的原因。
研究進(jìn)一步重建了人中腦多巴胺能神經(jīng)細(xì)胞的分化軌跡,發(fā)現(xiàn)了代表早期或晚期多巴胺能神經(jīng)祖細(xì)胞的特異性表面蛋白分子——CLSTN2和PTPRO,且這些表面蛋白分子可以用來預(yù)測體外分化得到的異質(zhì)性神經(jīng)祖細(xì)胞群終末分化為中腦多巴胺能神經(jīng)元的效率(圖1A)。研究從異質(zhì)性神經(jīng)祖細(xì)胞群中分選富集了分別表達(dá)這些表面分子蛋白的神經(jīng)祖細(xì)胞,并移植到PD模型小鼠腦內(nèi),發(fā)現(xiàn)分選的神經(jīng)祖細(xì)胞移植后可產(chǎn)生高度富集的中腦多巴胺能神經(jīng)元,比例可達(dá)80%,其中大部分(約90%)的多巴能神經(jīng)元為黑質(zhì)中腦多巴胺能神經(jīng)元亞型-PD患者腦內(nèi)主要缺失的多巴胺能神經(jīng)元亞型。移植物中的多巴胺能神經(jīng)元可以整合到宿主環(huán)路并特異性支配宿主的背側(cè)紋狀體。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),與未分選組相比,分選組的多巴胺能神經(jīng)細(xì)胞具有更高的治療效力,表現(xiàn)為對(duì)宿主紋狀體更強(qiáng)的多巴胺能神經(jīng)支配和只需要移植少量細(xì)胞(常規(guī)治療細(xì)胞劑量的10%)便可達(dá)到治療效果(圖1B)。
同時(shí),研究對(duì)移植物進(jìn)行單細(xì)胞測序分析發(fā)現(xiàn),未分選組的移植物中中腦多巴胺能神經(jīng)元比例低,且含有多種類型的非目的神經(jīng)元,其中包括明確能夠造成副作用的五-羥色胺能神經(jīng)元。而分選組中中腦多巴胺能神經(jīng)元被高度富集,非目標(biāo)神經(jīng)元類型大多被剔除(圖2A)。不同分子標(biāo)記物分選的移植物具有高度一致的神經(jīng)元組成(圖2B),提示移植高度富集的多巴胺能神經(jīng)祖細(xì)胞可以獲得穩(wěn)定且可預(yù)測的移植結(jié)果。
該研究繪制的體外分化和體內(nèi)移植物的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜,為中腦多巴胺能神經(jīng)細(xì)胞分化過程中細(xì)胞異質(zhì)性的產(chǎn)生和移植物中非目標(biāo)細(xì)胞的來源提供了更全面的理解。同時(shí),研究建立了一種獲得高度純化的供體細(xì)胞的方法,這些供體細(xì)胞移植后可以獲得穩(wěn)定且可預(yù)測的細(xì)胞治療結(jié)果。該研究為實(shí)現(xiàn)更有效更安全的帕金森病細(xì)胞替代療法邁出了重要一步。
研究工作得到科技部、中科院、上海市、國家自然科學(xué)基金的支持,并獲得復(fù)旦大學(xué)與美國斯坦福大學(xué)的科研人員的幫助。
圖1(A)通過對(duì)人類中腦多巴胺能體外分化過程進(jìn)行時(shí)程單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組,解析了培養(yǎng)物的細(xì)胞類型異質(zhì)性,并找到新型多巴胺能祖細(xì)胞的表面分子標(biāo)記物。(B)將未分選的神經(jīng)祖細(xì)胞與標(biāo)記物分選的神經(jīng)祖細(xì)胞(CLSTN2+ 或 PTPRO+)移植到帕金森病小鼠模型中,通過行為學(xué)、電生理、組織學(xué)染色等手段評(píng)估移植結(jié)果。(C)通過解剖帕金森病小鼠腦中的移植物并進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的分析,發(fā)現(xiàn)新型標(biāo)記物后的移植物具有穩(wěn)定可預(yù)測的移植物結(jié)果,目標(biāo)神經(jīng)元(即中腦多巴胺能神經(jīng)元)高度富集,非目標(biāo)神經(jīng)元大部分被剔除。
圖2 (A)未分選的祖細(xì)胞,CLSTN2+ 祖細(xì)胞和 PTPRO+ 祖細(xì)胞衍生的移植物,用人源細(xì)胞核(hN)和多巴胺能神經(jīng)元標(biāo)記物 TH 免疫染色的典型圖以及移植物中 TH+ 神經(jīng)元比例的量化。比例尺,100μm。(B)通過解剖帕金森病小鼠腦中的移植物并進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的分析,發(fā)現(xiàn)新型標(biāo)記物后的移植物具有穩(wěn)定可預(yù)測的移植物結(jié)果,目標(biāo)神經(jīng)元(即中腦多巴胺能神經(jīng)元)高度富集,非目標(biāo)神經(jīng)元大部分被剔除。
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