人類大腦神經由于區(qū)域的高度局限性，再生能力極其有限，這極大地阻礙了損傷或疾病導致的神經元功能障礙甚至喪失功能后的神經元再生或功能恢復。而將外源性神經元干細胞移植到大腦中會遇到一些難以解決的問題，如免疫排斥和誘發(fā)腫瘤的風險。最近有研究發(fā)現(xiàn)內源性膠質細胞可以直接轉分化為功能性神經元，為成人神經再生提供了新的思路。
2021年7月20日，F(xiàn)engchao Wang教授領導的研究團隊在Neurosci. Bulletin雜志上發(fā)表了名為Reprogramming Glial Cells into Functional Neurons for Neuro-regeneration: Challenges and Promise的研究綜述，作者詳細闡述了膠質細胞直接轉分化基本分子機制、關鍵細胞因子的發(fā)現(xiàn)，如膠質細胞的起源和神經內環(huán)境，以及未來研究應用中的挑戰(zhàn)。作者表示，雖然原位膠質細胞直接轉分化獲取神經元在神經元修復方面具有巨大潛力，但它仍需要大量的研究來為治療應用鋪平道路。
在研究進程中，研究人員發(fā)現(xiàn)，組織再生能力與生物進化等級呈一定的反比狀態(tài)，例如，硬骨魚的視網膜在受傷后具有顯著的神經元再生的能力而這種能力在鳥類中受到嚴重限制，在嚙齒動物中則完全不存在。在大多數(shù)的哺乳動物中，器官修復的可能性非常低，特別是中樞神經系統(tǒng)（CNS）在受傷或疾病后神經元自我再生能力極小。研究人員認為，成熟的哺乳動物大腦無法產生大量新的神經元。然而，許多神經系統(tǒng)疾病，特別是神經退行性疾病，如帕金森，亨廷頓、肌萎縮性側索硬化癥等都與神經元顯著退化或缺失有關。雖然在少數(shù)哺乳動物的成熟大腦中的潛伏區(qū)發(fā)現(xiàn)有神經干細胞（NSC），其中在海馬結構和下丘腦中NSC可以原位增殖分化成成熟神經元，但人類大腦中是否存在相同的NSC仍在研究之中。此外，也有研究人員表示，NSC提供的神經元數(shù)量太少，無法修復成人或動物大腦中神經系統(tǒng)疾病造成的神經元損失。
因此，一個長期備受青睞的理論假設是：在CNS的細胞病變部位再生新的神經元是治療神經性疾病的可行方法。鑒于內源性NSC的再生能力有限，在過去的幾十年中，科研人員做了大量的研究，以開發(fā)其他方法在CNS中實現(xiàn)神經再生。但是，NSC以及其分化的神經元的移植面臨著一些挑戰(zhàn)，如相關的免疫排斥、基因突變導致腫瘤產生的風險、倫理問題以及供體短缺的問題。此外，移植也不可避免地擾亂該位置的內部環(huán)境，經常會導致嚴重的炎癥或腦水腫引起的阻塞性腦積水。然而膠質細胞直接轉分化不僅避免了上述問題，還具有安全與效率遠高于NSC移植的優(yōu)點，因此直接轉分化越來越受到重視。
細胞轉分化，也稱細胞重編程，是指利用合適的生物因子組合，不經過中間多能狀態(tài)，將成熟的體細胞轉分化為另一種成熟體細胞的技術。將膠質細胞直接轉分化獲取神經元一般有兩個步驟：1.抑制膠質特異性基因表達；2.引起關鍵基因的表達。目前直接誘導膠質細胞轉分化獲取神經元的方法主要有三種：1.直接或間接的過表達單個TF或者TF組合的生物因子。2.使用化學小分子。3.抑制PTB基因。雖然已經有多種方法實現(xiàn)轉分化，但其分子作用機制仍不是十分清楚。最近在活體延時細胞成像、實時qRT-PCR和RNA測序技術方面的突破揭示了直接轉分化的部分分子作用機制。
圖片來源于《Reprogramming Glial Cells into Functional Neurons for Neuro-regeneration: Challenges and Promise》
研究人員使用高通量RNA測序技術和染色質免疫沉淀技術研究確定，在將星形膠質細胞轉分化神經元的過程中，與Ascl1相關的大約有107個下游目的基因。在這些目的基因中，TFs Klf10調控Ascl1直接轉分化過程中早期神經發(fā)育，Myt1和Myt1l調控后期的電生理成熟，而TF Neurod4和染色質重塑因子Chd7則參與調控整個過程。此外，表觀遺傳修飾也參與細胞轉分化過程，通過增加染色質的可訪問性，過表達TF等生物因子完成轉分化。在成熟哺乳動物CNS中，膠質細胞具有天然的增殖能力和廣泛的分布，這讓膠質細胞成為直接轉分化神經元最理想的啟動細胞。
在哺乳動物大腦中，膠質細胞具有高度異質性和多樣性，主要有星形膠質細胞、NG2細胞和小膠質細胞。迄今為止，研究人員已經驗證這三種類型都可以在體內直接轉分化神經細胞。如在視網膜中，Müller膠質細胞通過過表達Ascl1和抑制PTB基因來轉分化為雙極細胞、無長突細胞和結節(jié)投射神經元。研究人員表示，在神經退化或創(chuàng)傷性損傷后，反應性膠質細胞會迅速增值，然后形成膠質疤痕，以防止神經元組織進一步損傷?？紤]到這個過程會涉及各種膠質細胞，反應過程十分復雜，如果膠質細胞直接轉分化獲得神經元的過程可以很好的控制，在損傷后的特定的時間點影響特定的膠質類型，例如在膠質疤痕的形成階段控制星形膠質細胞直接轉分化，將會是一個理想的治療方法。精 確控制膠質細胞直接轉分化過程獲取所需的神經元，在神經退行性疾病的研究和治療應用方面具有巨大的潛力。
盡管前景良好，這仍然有一個根本性問題：新生成的神經元是否具有內源性神經元類似的功能，如突觸的形成、傳遞信號能力、與宿主神經元形成正確交錯連接的能力等。對此，作者整合前人研究并驗證之后表示，誘導神經元的形態(tài)學和電生理學結果直接表明，膠質細胞的直接轉分化可以產生與鄰近內源神經元功能相似的神經元。此外，有新的研究表明，這些新的誘導神經元可以通過在體內不同的大腦區(qū)域形成神經末梢并正確連接，整合到現(xiàn)有的神經回路中。多個研究結果表明了膠質細胞應用的各種可能性，除了NSC移植外，還可以為受傷或患病的大腦提供神經再生的替代細胞源。
目前膠質細胞的直接轉分化應用仍面臨幾個巨大的挑戰(zhàn)，首先，基于病毒的基因重組系統(tǒng)有外來病毒的風險。其次，在各種腦部疾病中丟失的神經元各不相同，相應的誘導神經元需要不同的生物因子組合來進行轉分化，目前而言，這仍在研究之中。最后，對人類膠質細胞直接轉分化的研究幾乎都是在動物身上完成的，目前仍缺少系統(tǒng)的研究。此外，由于倫理問題，膠質細胞轉分化獲取神經元的實驗不能直接在人腦中進行，因此，膠質細胞直接轉分化神經元在神經退行性疾病的研究應用上，仍有很長的路要走。
易賽騰生物科技有限公司 李福云編譯
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