世界首次，在实验室中培养出高度成熟神经元，让渐冻症/帕金森病等疾病治疗成为可能
神经退行性疾病，是由进行性神经细胞死亡而导致功能障碍的一类疾病，包括阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、亨廷顿舞蹈症（HD）和渐冻症（ALS）等等。目前，神经退行性疾病的病因尚不明确并且无法治愈，严重威胁着人类健康，同时也造成了巨大的经济负担。
值得注意的是，这些神经退行性疾病，以及脑中风，都会导致大量神经元丢失。因此，如果能在患者体内再生神经元或将健康的神经元移植过去，显然就能从根本上治愈这些重大疾病。
2022年1月12日，美国西北大学的研究人员在干细胞领域顶级期刊Cell Stem Cell上发表了题为：Artificial extracellular matrix scaffolds of mobile molecules enhance maturation of human stem cell-derived neurons的研究论文。
研究团队在带有“跳舞分子”（dancing molecules）的涂层上培养诱导多能干细胞（iPSCs）来源的神经元，创造出功能更成熟的神经元，增强了突触信号、电活动和分支，并提高了存活率。这种神经元可以移植到脊髓损伤或神经退行性疾病患者体内，以替代丢失或受损的神经元。
随着干细胞技术的发展，科学家们可以产生iPSCs并促进其分化为神经细胞，从而提供了一种前所未有的、修复人类中枢系统的途径，同时也使得研究神经发育和神经疾病模型组装成为可能。
然而，目前体外培养iPSCs来源的神经元仍然十分具有挑战性，在细胞培养皿中生长的神经元不会完全成熟，而是类似于胚胎或出生后早期的神经元，并且表现出较低的长期生存能力。
打个形象生动的比喻，当你有一个iPSC，设法通过干细胞技术将其诱导成一个神经元，那它将是一个年轻而幼稚的神经元，就像刚出生的婴儿。因此，为了让它能用于科学研究以及后续的临床应用，你需要让其成长为一个成熟的神经元。
在此之前，该研究团队已经证实，用纳米纤维包裹的神经元比其他方法更成熟，而这些成熟的神经元更能建立对神经元功能至关重要的突触连接。因此，研究人员推测是细胞外基质（ECM）影响了神经元的发育。这是一种“细胞间支架”，在神经元成熟、信号传递和衰老中起着关键作用。
为了从iPSC中获得成熟的神经元，研究团队基于通讯作者Samuel I. Stupp在去年推出的突破性“跳舞分子”技术创建了一个“ECM模拟平台”。该技术包括由肽两亲体（PA）分子形成的超分子纳米原纤维支架，这种材料一开始是作为急性脊髓损伤的潜在治疗方法。
在之前的研究中，该研究团队发现，通过模拟生物分子的运动，即使是人工合成材料也可以与细胞通信。实际上，人体内的细胞受体一直处于快速移动状态，有时甚至是以毫秒为时间尺度，因此想要“击中”它们是非常困难的，而这项研究一个关键创新是发现如何控制纳米纤维中10万多个“跳舞分子”的集体运动。
在这项最新研究中，研究团队首先将人源iPSCs分化为运动神经元和皮层神经元，然后将其置于含有这些快速移动的“跳舞分子”的合成纳米纤维涂层上。研究团队发现，当具有类似纳米纤维结构和化学成分的超分子支架表现出更强烈的超分子运动时，其生物活性显著增强，同时培养在含有高度流动PA分子的基质上的神经元也表现出与功能成熟度增加一致的几个特征。
更简单的说，经过调整的纳米纤维能够容纳运动速度更快的“跳舞分子”，而在越动态的涂层上培养神经元，就会得到越成熟的神经元。
研究团队认为这种方法之所以有效是因为受体在细胞膜上移动得非常快，而支架上的信号分子也移动非常快，因此它们更有可能是同步，受体通过非常特殊的空间接触被信号激活，快速移动的分子也有可能增强受体的运动，这反过来有助于将它们聚集在一起，以利于信号传递。
经过ECM模拟平台强化的神经元不仅更加成熟，而且还表现出增强的信号传递能力和更强的分支能力，这是神经元相互之间进行突触接触所必需的。这些结果表明，运动在细胞信号传递中发挥着重要作用，而不仅仅是单个分子的简单构象变化。
研究团队表示，与目前体外培养干细胞源性神经元的方法相比，他们开发的基于PA的ECM模拟技术具有更明显的生物学和技术优势。这项最新研究证明了将动态可控特征纳入合成ECM支架的重要性，可以显著改进基于干细胞的神经元模型。
论文的通讯作者 Samuel I. Stupp表示，这项技术将有助于深入了解与衰老相关的疾病，并成为在细胞培养中测试各种药物疗法的更好选择。通过使用“跳舞分子”，能够创造模拟老化ECM的人造涂层，从而获得老化的人类神经元，方便科学家们研究神经退行性疾病的发病。
基于这些发现，研究团队从渐冻症（ALS）患者的皮肤细胞中提取细胞，并将其转化为iPSCs，然后，将它们再分化为运动神经元，而运动神经元正是渐冻症这种神经退行性疾病所损失的细胞类型。最后，研究团队在新型合成涂层材料上培养这些患者来源的运动神经元，以此研究ALS的发病过程。
该论文的共同通讯作者Evangelos Kiskinis博士表示，这是首次能够在渐冻症患者细胞来源的iPSC再分化的运动神经元中看到成年期神经蛋白聚集。这是一个新的突破。
更重要的是，随着研究的进一步发展，这项技术还可以作为治疗脊髓损伤以及神经退行性疾病（包括阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿舞蹈症、渐冻症等等）的一种有希望的疗法。
例如，可以从患有渐冻症或帕金森病的患者身上提取皮肤细胞，将其诱导为iPSC，然后在涂层上培养这些细胞，以创造健康、功能强大的成熟神经元，再将健康的神经元移植到患者体内，就可以替换受损或丢失的神经元，从而恢复患者失去的认知或感觉。而且，由于最初的细胞来自患者，由iPSC再分化而来的神经元也将在基因上与患者匹配，从而消除免疫排斥的可能性。
细胞替代治疗对于像渐冻症这样的疾病来说非常具有挑战性，因为脊髓中移植的运动神经元需要将其长轴突投射到周围适当的肌肉部位，但这种治疗方法对于帕金森病可能更直接。但不管怎样，这项新技术都将是革命性的。
微信扫码关注该文公众号作者