Cell子刊：长期选择性刺激移植的神经干/祖细胞可改善运动功能

本文由brainnews脑科学世界团队原创编译，转载请联系授权。

由于再生能力有限，脊髓损伤（SCI）可导致永久性神经功能丧失。

SCI的主要病理机制包括神经传导和神经支配失败等。为了解决这些病理学问题，研究人员开发细胞移植疗法作为一种有希望的治疗方法，以替代受损的神经组织并重新连接神经回路。

研究证明，人类诱导多能干细胞衍生的神经干细胞/祖细胞（hiPSC NS/PCs）可以改善啮齿动物和灵长类SCI模型的运动功能。

因此，来自日本庆应义孰大学医学院的研究团队研究了移植hiPSC NS/PCs的活性增强如何影响移植细胞本身和宿主组织。作者发现hiPSC衍生神经细胞的化学遗传刺激在体外增强了细胞活性和神经元间的相互作用，强调了宿主组织与hiPSC -NS/PC移植物产生的神经元之间突触形成的重要性。

在SCI啮齿动物模型中，对移植的hiPSC NS/PCs进行连续和选择性的化学基因刺激也能增强周围宿主组织中突触相关基因和蛋白的表达，防止受损脊髓萎缩，从而改善运动功能。这些发现提供了一种增强移植物内活性的策略，提高了细胞移植治疗SCI的疗效。

突触前后神经元首先接收来自多个突触前伙伴神经元的未成熟突触输入，具有更高活性的突触被保留以形成成熟的突触，而活性较低的突触则被消除。

在SCI的细胞替代疗法中，移植的hiPSC NS/PC主要分化为神经元，它们通过与周围环境相互作用形成突触连接而成熟，这是一个类似于神经发育的过程。这种突触联系可以被认为是通过增强移植细胞中的神经元活性而得到加强的。然而，提高移植hiPSC-NS/PCs的活性是否能在受损脊髓中产生良好的功能结果尚不清楚。

研究结果

作者假设SCI后移植细胞的连续激活将增强宿主和移植神经元之间的突触传递，从而改善共运动功能。对于移植细胞的选择性和连续激活，使用了化学发生受体hM3Dq（一种专门由设计药物（DEARDS）激活的设计受体）。

首先，建立了CAG-hM3Dq-mCherry和CAG-mCherry慢病毒载体，感染414C2 hiPSC NS/PC衍生的神经细胞（hM3Dq神经细胞），与对照组相比，CNO（氯氮平N-氧化物）处理后Ca2+荧光信号强度显著增强，对照细胞中的荧光信号强度相对稳定。

数据表明，慢病毒转导的hM3Dq神经细胞在CNO治疗后提高了细胞内Ca2+浓度，而CNO本身在没有hM3Dq的情况下并没有提高Ca2+浓度。

CNO处理hM3Dq神经细胞可增强二聚体早期基因表达并激活邻近的非神经元细胞，低浓度下不会产生细胞毒性

通过评估早期基因（IEG）表达，证实CNO诱导Ca2+升高后hM3Dq神经细胞活性增加。与载体处理组相比，CNO处理组的相对基因表达水平升高（图1A）。各种IEG的分层聚类热图显示CNO-和生理盐水治疗组的聚类以及CNO组中每个IEG的表达增强（图1B），这些数据表明慢病毒诱导的hM3Dq神经细胞在CNO诱导Ca2+升高后被激活。

共同培养hM3Dq神经细胞和hM3Dq阴性/jGCaMP7f阳性神经元，结果表明，jGCaMP7f阳性神经元通过与激活的hM3Dq神经细胞的连接通过突触传递被激活。因此，CNO激活hM3Dq神经细胞可刺激相邻神经元并增强神经元间的相互作用，并且低浓度CNO处理和随后Ca2+升高对hM3Dq神经细胞没有细胞毒性。

图1 在低浓度下，CNO处理hM3Dq神经细胞可增强IEG表达并激活邻近的非hM3Dq神经元，而不会引起细胞毒性

经CNO治疗的hM3Dq NS/PC移植小鼠突触相关基因和蛋白表达增强

将hM3Dq NS/PCS移植到SCI9天后的病灶内，移植后小鼠腹腔注射CNO，之后进行转录组、蛋白定量和组织学分析。结果显示，移植脊髓中的小鼠基因表达谱与CNO刺激出现或消失后的时间有关（图2B）。此外，在第14天CNO组中，与突触合成相关基因表达增加（图2G）。

对第14天CNO组下调表达基因的GO分析发现， 与“小胶质细胞激活”和“白细胞激活炎症反应”相关基因差异显著。此外，与各种小胶质细胞及其激活相关基因热图显示，在第14天和第42天，CNO组与生理盐水组相比，上文所述基因倾向于下调，Iba1的免疫染色也显示出类似的结果。

图2 CNO处理的hM3Dq NS/PC转基因小鼠损伤脊髓中突触相关基因的表达增强

图3 CNO增强hM3Dq NS/PC移植小鼠脊髓损伤后突触相关蛋白表达增强

移植的hM3Dq-NS/PC在受损脊髓中存活并形成突触，CNO刺激移植的hM3Dq-NS/PC保护宿主脊髓免受萎缩性改变，SCI后42天，CNO刺激移植的hM3Dq NS/PC和未刺激的细胞分化为三个神经谱系的情况相似，受刺激的细胞没有成熟延缓和异常增殖等情况。

最后，发现移植细胞后每天进行CNO刺激促进了小鼠运动功能的恢复，但不会加重痛觉感知。

图4 hM3Dq NS/PC移植后连续每日CNO刺激促进运动功能恢复，且不会加重痛觉超敏

讨 论

总之，作者在亚急性脊髓损伤后连续和选择性地刺激移植的hM3Dq NS/PCs，刺激细胞激活了假定的突触伙伴神经元，hiPSC-NS/PC移植后选择性刺激移植细胞可增强移植细胞与宿主神经元之间的突触传递，从而改善SCI动物的运动功能。

作者的发现表明了神经活动对电路中其他细胞相互作用的重要性，并阐明了进一步推进细胞移植治疗的关键机制。康复训练也是一种长期刺激，可以促进动物的整体运动功能，但目前尚不清楚康复训练如何影响移植细胞的功能，以及是否可以有效增强突触的活动。

此外，刺激移植物以增强突触活性的策略也可以应用于神经科学的其他领域，移植刺激可能是一种有效的治疗策略，这对包括脊髓损伤在内的一些创伤性神经损伤疾病的治疗提供了新的治疗思路。

参考文献

Kawai et al., Long-term selective stimulation of transplanted neural stem/progenitor cells for spinal cord injury im-proves locomotor function, Cell Reports (2021), https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.110019

编译作者：原代美少女（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）