干細胞治療受損大腦后的神經元回路重建

移植源自人類多能干細胞的神經元前體，是治療與神經元缺失有關的神經系統疾病（如神經退行性疾病、腦外傷和中風）的一種前景廣闊的療法。

將干細胞分化出的移植神經元與宿主受損神經元回路進行功能整合，一直是大腦修復細胞治療策略的一大挑戰。盡管其他細胞類型或機制可提供適度的臨床改善，但受損區域的神經元替代和重建對最佳和長期恢復至關重要。

這一過程包括三個重要方面（圖1）：(1）產生代表受損腦區的特定神經元亞型；（2）形成從宿主大腦到移植神經元的功能性傳入突觸連接；（3）建立從移植細胞到宿主大腦特定區域的功能性傳出突觸聯系。

我們之前的研究表明，人皮源性神經前體移植到缺血性中風后大鼠的軀體感覺皮層后，會形成與位于大腦該區域的內源性神經元相似的傳入突觸連接模式，并與適當宿主大腦結構的神經元形成傳出連接。最近使用動物模型進行的其他研究進一步證明了移植細胞與受損宿主大腦回路的功能整合能力。有趣的是，將人類大腦皮層神經元移植到成人大腦皮層的體外器官型培養物上，也證明了宿主和移植細胞之間建立了傳入和傳出突觸。然而，功能恢復和新神經元融入大腦網絡背后的機制仍存在一些未知之處，近日，巴塞羅那大學生物醫學系、神經科學研究所將對此進行討論（圖1）。

電路重建過程中會達到哪種特異性水平？

要回答這個問題，我們必須考慮到移植神經元的區域特性對于正確重建神經元網絡至關重要。在這方面，細胞特性決定了從移植神經元到不同宿主腦區的傳出連接的形成，這一過程需要幾個月的時間，因為人類神經元的成熟期比小鼠神經元長，有時新形成的軸突需要長時間，例如從一個半球到另一個半球。相比之下，通過使用基于狂犬病毒的單突觸追蹤，可以在早期時間點（移植后6-8周）觀察到宿主神經元（包括非相鄰腦區的神經元）與移植細胞之間形成廣泛的傳入連接。因此，這些突觸接觸很可能是在靶神經元死亡后作為重新連接而建立的，或作為先前存在的軸突的次級分支而建立的。在這種情況下，早期傳入模式將由移植位置決定，而與移植細胞產生的神經元亞型無關。有趣的是，在大鼠紋狀體異位移植多巴胺能神經祖細胞會導致不同的傳入連接模式，這與將相同細胞移植到黑質時觀察到的模式不同。

值得注意的是，神經祖細胞的全身注射（即靜脈注射或動脈內注射）導致對腦實質的浸潤有限，因此整合能力較低。因此，移植位置和移植細胞的區域特性將決定電路重建過程中達到的特異性程度。同樣，移植神經元的成熟階段和神經元命運的決定也會影響細胞的存活率和突觸連接性：過于成熟的神經元會降低存活率，而過早的祖細胞則會導致異質性細胞產物和非特異性功能重建（如帕金森病人移植人類胎兒神經元后產生的5-羥色胺能神經元）。

移植細胞是否保留了大腦的結構組織？

這個問題對于大腦皮層等顯示不同神經亞型特定組織的區域尤為重要。位于大腦皮層特定層的神經元在功能上是特化的，其特征是表達特定層的轉錄因子。例如，Tbr1是一種在大腦皮層第5層和第6層的皮質丘腦投射神經元中高度表達的轉錄因子，在含有皮質有緣祖細胞的移植物深層區域，Tbr1的表達量是無緣細胞的3倍。因此，如果成體大腦中新形成的神經元的組織是由局部線索引導的，那么具有適當身份的細胞將更有效地響應這些信號，從而更緊密地重建大腦皮層結構。從功能角度來看，有研究表明，移植到成年小鼠受損視覺皮層的小鼠胎兒神經祖細胞能整合到宿主網絡中，并表現出刺激選擇性反應。這些移植細胞接收來自宿主神經元的傳入輸入，包括拓撲組織的基因-皮層連接。使用人類細胞也獲得了類似的結果。

然而，目前仍不清楚新形成的神經元如何準確復制受損區域原有的空間組織。在這方面，最新的空間分辨率全轉錄組分析技術有助于回答這個問題。從技術角度看，區分移植細胞和宿主細胞的能力也很重要。如果移植細胞與受體動物來自同一物種（異體移植），則需要使用熒光報告物、PKH染料或納米粒子進行標記。

神經元特性是在有絲分裂后的神經元中已經確定，還是在神經元與目標連接后才獲得？

最近發表的使用電子顯微鏡和基于狂犬病毒的單突觸追蹤的結果表明，在大鼠中風模型中移植的人類祖細胞衍生的神經元向大腦對側半球發出投射，并與宿主神經元建立突觸聯系。此外，經胼胝體連接的移植細胞表達皮質胼胝體投射神經元標記，表明這一通路的特定重建。然而，目前還不清楚移植的神經元是在建立突觸連接之前獲得其命運，還是突觸連接的形成決定了新形成神經元的命運。在第一種情況下，承諾神經元擁有引導軸突到達適當目標的信息；而在第二種情況下，軸突的定向伸長遵循共同的內源性信號（如白質通路），一旦形成突觸連接，與目標神經元的交流將決定移植神經元的命運。

眾所周知，新形成的神經元的特性在大腦發育的早期階段就已確立，并由發育信號的精確時空調控決定。然而，這些發育信號在多大程度上仍然存在于成人大腦中還不清楚，必須進一步探索。重要的是，移植部位的微環境，包括細胞因子的類型和免疫反應的細胞元素，會從腦損傷的急性階段到慢性階段發生變化，從而對移植細胞的成熟和整合起到不同的作用。

神經元替代能在多大程度上促進動物的功能恢復？

要評估細胞療法對腦組織功能恢復的貢獻，最有說服力和最優雅的策略是使用光遺傳學或化學遺傳學（即使用專門設計的受體由專門設計的藥物激活）使移植的神經元沉默。據我們所知，只有兩篇文章采用了這種策略。第一篇文章將表達光門控氯化物泵halorhodopsin的人類胚胎干細胞衍生間腦多巴胺能神經元移植到帕金森病小鼠模型的紋狀體中。通過走廊測試，作者發現移植動物從病變引起的帕金森運動障礙中恢復過來，并且光誘導的移植活性沉默可逆地重新引入了小鼠的側向行為。

另一篇文章介紹了在中風大鼠模型中獲得的結果。在這項工作中，人類誘導多能干細胞衍生的皮層神經元移植到影響軀體感覺和運動皮層的缺血性病灶附近，促進了動物的功能恢復。表達鹵化表皮素的移植神經元的光遺傳沉默導致大鼠在移植6個月后出現雙側功能障礙（圓筒測試）。與帕金森氏癥模型的研究結果相反，第二項研究并未發現在抑制移植細胞的神經元活動時，未處理組的大鼠會出現側向功能障礙。這種差異可能是由于移植細胞在帕金森病小鼠模型中的異位位置（多巴胺能神經元天然位于黑質，而移植細胞被置于紋狀體）。這很可能會阻礙原有回路的重建，受損動物紋狀體中多巴胺的釋放只能依賴于移植神經元的活動。

在第二項研究中，移植神經元的正確位置會促進特定傳入和傳出突觸連接的產生，從而導致原有回路的重建，尤其是跨胼胝體的溝通。這可能解釋了在大鼠中風模型中，沉默移植神經元后觀察到的雙側功能障礙。正如使用注射了表達鹵化核糖蛋白慢病毒的完整大鼠所顯示的那樣，沉默其中一個半球的軀體感覺區和鄰近運動區的皮質神經元會導致雙側功能障礙，這表明當抑制功能整合在大腦這一區域的神經元的活動時，這應該是預期的結果。這兩項研究表明，移植神經元衍生活動有助于動物模型的長期功能恢復，為臨床應用的開發開辟了新途徑。

總之，動物模型研究的最新進展提供了支持性證據，證明新的神經元可以替代受傷后死亡的細胞，這是大腦功能長期最佳恢復的一個關鍵方面。未來的研究應著眼于了解干細胞療法修復腦損傷的有益作用背后的機制。盡管這種方法存在一些明顯的局限性，但干細胞治療的臨床應用正在成為現實。基礎研究與臨床研究之間的相互協作，應有助于克服干細胞療法在臨床實踐中目前的局限性和未來的挑戰。

參考資料：Tornero D. Neuronal circuitry reconstruction after stem cell therapy in damaged brain. Neural Regeneration Research. 2022 Sep;17(9):1959-1960. DOI: 10.4103/1673-5374.335145. PMID: 35142674; PMCID: PMC8848622.

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