麻省理工學院工程師將皮膚細胞直接轉化為神經元以進行細胞療法 | 麻省理工學院新聞

從皮膚細胞轉換為神經元

將一種細胞轉換為另一種細胞，例如將皮膚細胞轉換為神經元，可以通過一個過程來實現，這個過程需要將皮膚細胞誘導成“多能”幹細胞，然後再分化為神經元。麻省理工學院 (MIT) 的研究人員現在設計了一個簡化的過程，直接將皮膚細胞轉換為神經元，跳過幹細胞階段。

研究人員使用小鼠細胞，開發了一種轉換方法，效率非常高，能從單個皮膚細胞產生超過10個神經元。如果這一方法能在人體細胞中複製，可能可以生成大量的運動神經元，這有助於治療脊髓受傷或影響運動能力的疾病。

“我們能夠達到可以詢問這些細胞是否能成為細胞替代療法的可行候選者的產量，我們希望它們能夠成為。這就是這類重編程技術能帶我們到的地方，”生物醫學工程與化學工程的 W. M. Keck 職業發展教授 Katie Galloway 說。

作為將這些細胞開發為療法的第一步，研究人員展示了他們能夠生成運動神經元並將其植入小鼠的大腦中，這些神經元與宿主組織整合在一起。

Galloway 是今天在《Cell Systems》上發表的兩篇描述新方法的論文的資深作者，麻省理工學院的研究生 Nathan Wang 是這兩篇論文的首席作者。

從皮膚細胞到神經元的過程

近20年前，日本的科學家展示了通過將四種轉錄因子輸送到皮膚細胞中，可以將它們誘導成多能幹細胞 (iPSCs)。與胚胎幹細胞類似，iPSCs 可以分化為許多其他細胞類型。這種技術效果很好，但需要幾週時間，並且許多細胞最終無法完全轉變為成熟細胞類型。

“重編程的一個挑戰是細胞可能會卡在中間狀態，”Galloway 說。“所以，我們使用直接轉換的方法，從體細胞直接轉換為運動神經元，而不是經過 iPSC 中間階段。”

Galloway 的研究小組和其他研究者之前已經展示過這種直接轉換，但產量非常低——不到1%。在 Galloway 之前的工作中，她使用了六種轉錄因子的組合，加上兩種促進細胞增殖的蛋白質。這八種基因是通過不同的病毒載體傳遞的，這使得確保每種基因在每個細胞中以正確水平表達變得困難。

在新的《Cell Systems》論文中，Galloway 和她的學生報告了一種簡化過程的方法，使皮膚細胞可以使用僅三種轉錄因子以及兩種促進細胞增殖的基因轉換為運動神經元。

研究人員從最初的六種轉錄因子開始，逐一實驗去掉，直到找到三種——NGN2、ISL1 和 LHX3——能成功完成轉換為神經元的組合。

當基因數量減少到三個時，研究人員可以使用一種修改過的病毒來傳遞所有三個基因，這樣可以確保每個細胞以正確的水平表達每個基因。

研究人員還使用另一種病毒，傳遞編碼 p53DD 和突變版本 HRAS 的基因。這些基因促使皮膚細胞在開始轉換為神經元之前進行多次分裂，從而使神經元的產量大幅提高，約為1100%。

“如果你在非增殖細胞中以非常高的水平表達轉錄因子，重編程率會非常低，但超增殖細胞更容易接受。就像它們已經為轉換做好了準備，然後它們對轉錄因子的水平變得更加敏感，”Galloway 說。

研究人員還開發了一種稍微不同的轉錄因子組合，使他們能夠在使用人類細胞時進行相同的直接轉換，但效率較低——研究人員估計在10%到30%之間。這一過程大約需要五週，比先將細胞轉換為 iPSCs 然後再轉換為神經元稍快。

細胞植入

一旦研究人員確定了最佳的基因組合，他們開始研究最佳的傳遞方式，這是第二篇《Cell Systems》論文的重點。

他們嘗試了三種不同的傳遞病毒，發現逆轉錄病毒達到了最有效的轉換率。減少培養皿中細胞的密度也有助於提高運動神經元的總產量。這一優化過程在小鼠細胞中大約需要兩週，產量超過1000%。

與波士頓大學的同事合作，研究人員測試了這些運動神經元是否能成功植入小鼠。他們將細胞傳遞到大腦的一部分，稱為紋狀體，這與運動控制和其他功能有關。

兩週後，研究人員發現許多神經元存活下來，似乎正在與其他腦細胞形成連接。在培養皿中生長時，這些細胞顯示出可測量的電活動和鈣信號，這表明它們能與其他神經元進行通信。研究人員現在希望探索將這些神經元植入脊髓的可能性。

麻省理工學院團隊還希望提高人類細胞轉換的效率，這可能使得生成大量神經元成為可能，這些神經元可以用於治療脊髓受傷或影響運動控制的疾病，例如肌萎縮側索硬化症 (ALS)。目前正在進行使用來自 iPSCs 的神經元治療 ALS 的臨床試驗，但擴大可用於這類治療的細胞數量可能使得測試和開發這些療法更容易，Galloway 說。

這項研究得到了美國國立總醫學科學研究所和國家科學基金會研究生研究獎學金計劃的資助。