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由皮肤细胞转化而成的成熟大脑细胞可用于老年痴呆症,精神分裂症和 自闭症的研究

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05 June 2013

通过与星型胶质细胞共同培养,由人类皮肤细胞转化而成的神经干细胞(显示为红色)非常高效地分化成为了大脑神经元(显示为绿色)。宾州州立大学,陈功实验室
通过与星型胶质细胞共同培养,由人类皮肤细胞转化而成的神经干细胞(显示为红色)非常高效地分化成为了大脑神经元(显示为绿色)。宾州州立大学,陈功实验室
基于一种开拓性的新技术,科学家们现在可以通过对皮肤细胞的基因组重新编程和分化来获取成熟的大脑细胞即神经元。此技术使得有关老年痴呆症,精神分裂症和自闭症等复杂的神经系统疾病的研究变得更加安全和有效。领导此研究项目的宾夕法尼亚州立大学生物系Verne M. Willaman冠名教授陈功说: “这项研究的重要意义是在培养皿中创造出和人类 大脑中自然生长的神经元功能非常接近的成熟人脑神经元用来进行人脑疾病的研究”。陈教授还表示此技术将来可以用于开发基于病人自身基因和细胞信息的个性化治疗方案。这项研究成果发表在“干细胞研究”(Stem Cell Research)杂志上。

“显然,科学家们不能从病人的大脑里直接取出细胞来进行实验。所以在培养皿中创造出病人的成熟大脑细胞用于科学研究和药物筛选就成了最好的替代方法”。在此前的研究中,科学家们已经研发出了通过将病人的皮肤细胞基因组重编程而诱导出多功能干细胞(iPSCs)。陈教授解释道,“多功能干细胞就像一块没有雕琢的璞玉。在发育过程中,这些干细胞能够分化成各种特性的细胞类型,如肌肉细胞、血液细胞、或脑细胞等。所以在通过对皮肤细胞重编程而创造出多功能干细胞后,科学家们能够在培养皿中将此类干细胞进一步分化成为脑神经元来进行深入的研究”。

在此项新研究中,陈教授和他的团队将人的诱导型多功能干细胞高效地分化成为成熟的人脑神经元,其功能和大脑自身的神经元非常接近。“在大脑的自然环境中,神经元总是和星型胶质细胞有密切联系,后者在大脑中含量很丰富并且有着辅助神经元正常工作的功能。所以我们预测这种紧密的接触对于干细胞分化的神经元也应起着重要的作用,”陈教授说 。

为了证明他们的设想,陈教授和他的团队首先将诱导型多功能干细胞培养转化成神经干细胞,也就是有分化为神经元潜能的干细胞。接着,他们把这些神经干细胞培养在由单层胶质细胞组成的支持细胞层上,使得这两种细胞能够相互紧密接触。

“我们发现这些培养在胶质细胞上的神经干细胞非常高效地分化成了成熟的神经元,这些细胞的行为与单独培养在培养皿中的神经干细胞完全不同,就像星形胶质细胞一直在给神经干细胞加油,在告诉他们怎么做,并且帮助他们完成转化为神经元的使命”,陈教授说 。

为了证明这些在胶质细胞支持下成长的神经元的优越性,陈教授和他的博士研究生唐欣使用电生理记录方法证实了在胶质细胞的支持下神经元之间形成了更多的神经突触连接。在另一组实验中,当把神经干细胞培养在胶质细胞上仅一周之后,研究者们就发现新分化的神经元已经能够发放动作电位,即在大脑中所有神经元都具有的快速电兴奋信号。有趣的是,当把人类神经干细胞加入到事先培养好的小鼠神经元网络里时,“我们发现在仅仅一周之内,人类神经元和小鼠神经元之间就形成了很多的神经突触传递”。陈教授解释这些‘突触传递’的形成是因为神经元与其临近神经元直接接触,并释放被称为神经递质的化学信号来调节邻接神经元的活动。

“从前的研究者只能从死亡的患者身上获取老年痴呆症,精神分裂症或自闭症的脑神经细胞。而现在,研究者可以从活着的患者身上通过安全微创的方法取得皮肤细胞,并把它们转化为大脑细胞来模拟此患者自身大脑细胞的活动,”陈教授解释道。通过这种方法,研究者能够运用这些与患者自身大脑细胞极为相近的神经元来研究某种特定药物的影响,从而大大消除了在患者身上产生副作用的风险。“患者可以在不需要服用药物的情况下用自身的类似脑细胞进行药物实验,从而实现低风险的个性化治疗方案”,陈教授说。

陈功教授的研究团队包括来自宾夕法尼亚州立大学的唐欣,周丽,Alecia M. Wagner; 和来自 Salk 研究院的 Maria C.N. Marchetto 和 Fred H. Gage; 以及来自加州大学 圣地亚哥 分校的 Alysson R. Muotri。

此项研究的资金来源于宾州州立大学干细胞基金,美国国立卫生研究院,JPB基金会,

Mathers基金会,McDonnell 基金会,以及加州再生医学研究所。

联系人

Gong Chen(陈功): +1 814 865 2488, GongChen@psu.edu

Barbara Kennedy (PIO): +1 814 863 4682, science@psu.edu

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