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通過膠質細胞向神經元轉分化治療神經性疾病的基礎研究取得重要進展

發布時間:2020-04-06

  202048日,《細胞》期刊在線發表了題為《通過CRISPR-CasRx介導的膠質細胞向神經元的轉分化治療神經性疾病》的研究論文,該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)、上海腦科學與類腦研究中心、神經科學國家重點實驗室楊輝研究組完成。該項研究通過運用最新開發的RNA靶向CRISPR系統CasRx特異性地在視網膜穆勒膠質細胞中敲低Ptbp1基因的表達,首次在成體中實現了視神經節細胞的再生,并且恢復了永久性視力損傷模型小鼠的視力。同時,該研究還證明了這項技術可以非常高效且特異地將紋狀體內的星形膠質細胞轉分化成多巴胺神經元,并且基本消除了帕金森疾病的癥狀。該研究將為未來眾多神經退行性疾病的治療提供一個新的途徑。     

  人類的神經系統包含成百上千種不同類型的神經元細胞。在成熟的神經系統中,神經元一般不會再生,一旦死亡,就是永久性的。神經元的死亡會導致不同的神經退行性疾病,常見的有阿爾茲海默癥和帕金森癥。此類疾病的病因尚不明確且沒有根治的方法,因此對人類的健康造成巨大威脅。據統計,目前全球大約有1億多的人患有神經退行性疾病,而且隨著老齡化的加劇,神經退行性疾病患者數量也將逐漸增多。在常見的神經性疾病中,視神經節細胞死亡導致的永久性失明和多巴胺神經元死亡導致的帕金森疾病是尤為特殊的兩類,它們都是由于特殊類型的神經元死亡導致。我們之所以能看到外界絢爛多彩的世界,是因為我們的眼睛和大腦中存在一套完整的視覺通路,而連接眼睛和大腦的神經元就是視神經節細胞。作為眼睛和大腦的唯一一座橋梁,視神經節細胞對外界的不良刺激非常敏感。研究發現很多眼疾都可以導致視神經節細胞的死亡,急性的如缺血性視網膜病,慢性的如青光眼。視神經節細胞一旦死亡就會導致永久性失明。據統計,僅青光眼致盲的人數在全球就超過一千萬人。帕金森疾病是一種常見的老年神經退行性疾病。它的發生是由于腦內黑質區域中一種叫做多巴胺神經元的死亡,從而導致黑質多巴胺神經元不能通過黑質-紋狀體通路將多巴胺運輸到大腦的另一個區域紋狀體。目前,全球有將近一千萬人患有此病,我國尤為嚴重,占了大約一半的病人。如何在成體中再生出以上兩種特異類型的神經元,一直是全世界眾多科學家努力的方向。     

  該研究中,研究人員首先在體外細胞系中篩選了高效抑制Ptbp1表達的gRNA,設計了特異性標記穆勒膠質細胞和在穆勒膠質細胞中表達CasRx的系統。所有元件以雙質粒系統的形式被包裝在AAV中并且通過視網膜下注射,特異性地在成年小鼠的穆勒膠質細胞中下調Ptbp1基因的表達。大約一個月后,研究人員在視網膜視神經節細胞層發現了由穆勒膠質細胞轉分化而來的視神經節細胞,并且轉分化而來的視神經節細胞可以像正常的細胞那樣對光刺激產生相應的電信號。研究人員進一步發現,轉分化而來的視神經節細胞可以通過視神經和大腦中正確的腦區建立功能性的聯系,并且將視覺信號傳輸到大腦。在視神經節細胞損傷的小鼠模型中,研究人員發現轉分化的視神經細胞可以讓永久性視力損傷的小鼠重新建立對光的敏感性。為進一步發掘Ptbp1介導的膠質細胞向神經元轉分化的治療潛能,研究人員證明了該策略還能特異性地將紋狀體中的星形膠質細胞非常高效的轉分化為多巴胺神經元,并且證明了轉分化而來的多巴胺神經元能夠展現出和黑質中多巴胺神經元相似的特性。在行為學測試中,研究人員發現這些轉分化而來的多巴胺神經元可以彌補黑質中缺失的多巴胺神經元的功能,從而將帕金森模型小鼠的運動障礙逆轉到接近正常小鼠的水平。     

  需要指出的是,雖然科學家們在實驗室里取得了重要進展,但是要將研究成果真正應用于人類疾病的治療,還有很多工作要做。人類的視神經節細胞能否再生?帕金森患者是否能通過該方法被治愈?這些問題有待全世界的科研工作者共同努力去尋找答案。     

  腦智卓越中心博士后周海波、助理研究員蘇錦霖、博士研究生胡新德、周昌陽、李賀、陳昭融為論文共同第一作者,中科院腦智卓越中心楊輝研究員、博士后周海波為共同通訊作者。同時,腦智卓越中心學術主任蒲慕明院士、徐華泰研究員、張翼鳳研究員、姚海珊研究員和周嘉偉研究員對該研究給予了大力協助。該研究得到了腦智卓越中心基因編輯平臺、流式平臺、光學成像平臺和實驗動物平臺的大力支持。該研究獲得了中國科學技術部、國家自然科學基金、中國科學院、上海市的項目資助。    

   

  圖注:(上)CasRx通過靶向的降解Ptbp1 mRNA從而實現Ptbp1基因表達的下調。(中)視網膜下注射AAV-GFAP-CasRx-Ptbp1可以特異性的將視網膜穆勒膠質細胞轉分化為視神經節細胞,轉分化而來視神經節細胞可以和正確的腦區建立功能性的聯系,并且提高永久性視力損傷模型小鼠的視力。(下)在紋狀體中注射AAV-GFAP-CasRx-Ptbp1可以特異性的將星形膠質細胞轉分化為多巴胺神經元,從而基本消除了帕金森疾病模型小鼠的運動癥狀。 

  在小鼠的視網膜上,紅色圓形的細胞是再生出的視神經節細胞,可以看到一條一條的紅線匯集到眼睛中間的視盤(左下黑洞區域),這是再生出的視神經節細胞發出的軸突,它們將通過視盤傳到視神經,然后再到大腦?!?/p>

  

  視神經部位是連接眼睛和大腦的橋梁。每一條紅色的線是每一個再生出來的視神經節細胞發出的軸突,通過這里,這些新生軸突將會與大腦中處理視覺信號的區域正確相連。

 

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