6月15日，The Journal of Clinical Investigation在線發(fā)表了題為《人類中腦多巴胺能神經(jīng)細胞分化標志物預(yù)測帕金森病細胞治療結(jié)果》的研究論文。該研究由中國科學院腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學研究所）、靈長類神經(jīng)生物學重點實驗室、上海腦科學與類腦研究中心陳躍軍研究組完成。該研究解析了中腦多巴胺能神經(jīng)分化的單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，發(fā)現(xiàn)了中腦多巴胺能神經(jīng)祖細胞的特異性表面蛋白分子，并應(yīng)用它們來獲得高純度的目的供體細胞，實現(xiàn)穩(wěn)定且可預(yù)測的帕金森病細胞治療結(jié)果。
帕金森病主要是源于中腦黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元的退行性病變和丟失，造成紋狀體多巴胺含量顯著性減少，從而引起肌張力增高、運動遲緩、靜止性震顫和步態(tài)異常等運動功能障礙。臨床上尚無治愈帕金森病的有效方案，目前的治療方法主要是對癥治療，包括以左旋多巴為代表的藥物治療和深部腦刺激。然而，藥物治療只在早期階段有效，而腦深部刺激只適用于部分病人，隨訪成本高，且會引起抑郁癥等副作用，因此急需開發(fā)新的治療策略和方法。
細胞替代療法（細胞治療）被認為是頗有前景的PD治療策略。細胞治療通過移植外源神經(jīng)細胞補充丟失的多巴胺能神經(jīng)元，進而恢復腦內(nèi)多巴胺釋放水平，解救患者運動功能障礙。人多能干細胞，包括人胚胎干細胞和人誘導多能干細胞，可以通過體外分化產(chǎn)生可移植的中腦多巴胺能神經(jīng)祖細胞，為細胞治療提供了大量的可再生的細胞資源。多個國家相繼開展了基于人多能干細胞技術(shù)的PD細胞治療臨床試驗，仍有需要解決的問題，例如，體外分化得到的移植用供體細胞（donor cells）存在高度異質(zhì)性；供體細胞移植后，腦內(nèi)移植物中的目標神經(jīng)元（多巴胺能神經(jīng)元）的比例通常較低（不超過10%）；移植物的細胞組成未知。因此，如何獲得標準化的神經(jīng)細胞產(chǎn)品，以確保移植后穩(wěn)定且可預(yù)測的治療效果，仍是帕金森病細胞治療在臨床上更廣泛和更安全應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)。
研究首先繪制了人多能干細胞向中腦多巴胺能神經(jīng)細胞分化的單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，發(fā)現(xiàn)了多巴胺能神經(jīng)細胞的體外分化過程模擬多個但相鄰的人胎腦區(qū)域的發(fā)育過程，包括腹側(cè)中腦、中腦-后腦邊界（MHB，也稱峽部）和腹側(cè)后腦，其中只有部分腹側(cè)中腦細胞可以進一步分化為中腦多巴胺能神經(jīng)元，而其他腦區(qū)的細胞則主要分化為GABA能神經(jīng)元、谷氨酸能神經(jīng)元、運動神經(jīng)元和5-羥色胺能神經(jīng)元。這解釋了人多能干細胞向中腦多巴胺能神經(jīng)細胞分化產(chǎn)生異質(zhì)性細胞類群的原因。
研究進一步重建了人中腦多巴胺能神經(jīng)細胞的分化軌跡，發(fā)現(xiàn)了代表早期或晚期多巴胺能神經(jīng)祖細胞的特異性表面蛋白分子——CLSTN2和PTPRO，且這些表面蛋白分子可以用來預(yù)測體外分化得到的異質(zhì)性神經(jīng)祖細胞群終末分化為中腦多巴胺能神經(jīng)元的效率（圖1A）。研究從異質(zhì)性神經(jīng)祖細胞群中分選富集了分別表達這些表面分子蛋白的神經(jīng)祖細胞，并移植到PD模型小鼠腦內(nèi)，發(fā)現(xiàn)分選的神經(jīng)祖細胞移植后可產(chǎn)生高度富集的中腦多巴胺能神經(jīng)元，比例可達80%，其中大部分（約90%）的多巴能神經(jīng)元為黑質(zhì)中腦多巴胺能神經(jīng)元亞型-PD患者腦內(nèi)主要缺失的多巴胺能神經(jīng)元亞型。移植物中的多巴胺能神經(jīng)元可以整合到宿主環(huán)路并特異性支配宿主的背側(cè)紋狀體。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，與未分選組相比，分選組的多巴胺能神經(jīng)細胞具有更高的治療效力，表現(xiàn)為對宿主紋狀體更強的多巴胺能神經(jīng)支配和只需要移植少量細胞（常規(guī)治療細胞劑量的10%）便可達到治療效果（圖1B）。
同時，研究對移植物進行單細胞測序分析發(fā)現(xiàn)，未分選組的移植物中中腦多巴胺能神經(jīng)元比例低，且含有多種類型的非目的神經(jīng)元，其中包括明確能夠造成副作用的五-羥色胺能神經(jīng)元。而分選組中中腦多巴胺能神經(jīng)元被高度富集，非目標神經(jīng)元類型大多被剔除（圖2A）。不同分子標記物分選的移植物具有高度一致的神經(jīng)元組成（圖2B），提示移植高度富集的多巴胺能神經(jīng)祖細胞可以獲得穩(wěn)定且可預(yù)測的移植結(jié)果。
該研究繪制的體外分化和體內(nèi)移植物的單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，為中腦多巴胺能神經(jīng)細胞分化過程中細胞異質(zhì)性的產(chǎn)生和移植物中非目標細胞的來源提供了更全面的理解。同時，研究建立了一種獲得高度純化的供體細胞的方法，這些供體細胞移植后可以獲得穩(wěn)定且可預(yù)測的細胞治療結(jié)果。該研究為實現(xiàn)更有效更安全的帕金森病細胞替代療法邁出了重要一步。
研究工作得到科技部、中科院、上海市、國家自然科學基金的支持，并獲得復旦大學與美國斯坦福大學的科研人員的幫助。
圖1.A、通過對人類中腦多巴胺能體外分化過程進行時程單細胞轉(zhuǎn)錄組，解析培養(yǎng)物的細胞類型異質(zhì)性，并找到新型多巴胺能祖細胞的表面分子標記物。B、將未分選的神經(jīng)祖細胞與標記物分選的神經(jīng)祖細胞（CLSTN2+或PTPRO+）移植到帕金森病小鼠模型中，運用行為學、電生理、組織學染色等手段評估移植結(jié)果。C、解剖帕金森病小鼠腦中的移植物并分析單細胞轉(zhuǎn)錄組發(fā)現(xiàn)，新型標記物后的移植物具有穩(wěn)定可預(yù)測的移植物結(jié)果，目標神經(jīng)元（即中腦多巴胺能神經(jīng)元）高度富集，非目標神經(jīng)元大部分被剔除。
圖2.A、未分選的祖細胞、CLSTN2+祖細胞和PTPRO+祖細胞衍生的移植物，用人源細胞核（hN）和多巴胺能神經(jīng)元標記物TH免疫染色的典型圖以及移植物中TH+神經(jīng)元比例的量化。比例尺，100μm。B、解剖帕金森病小鼠腦中的移植物并進行單細胞轉(zhuǎn)錄組的分析發(fā)現(xiàn)，新型標記物后的移植物具有穩(wěn)定可預(yù)測的移植物結(jié)果，目標神經(jīng)元（即中腦多巴胺能神經(jīng)元）高度富集，非目標神經(jīng)元大部分被剔除。
來源：中國科學院腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心
