麻省理工学院新突破：皮肤细胞直接转化为神经元，

一种新的、高效的转换过程可以使脊髓损伤或ALS等疾病的治疗方法更容易开发。

　　

将一种细胞转化为另一种细胞——例如，将皮肤细胞转化为神经元——通常需要先诱导皮肤细胞成为“多能”干细胞，然后再分化为神经元。麻省理工学院（MIT）的研究人员如今开发出一种简化的方法，绕过了干细胞阶段，直接将皮肤细胞转化为神经元。

研究人员使用小鼠细胞开发了一种高效的转化方法，可以从单个皮肤细胞产生超过10个神经元。如果该方法能够在人类细胞中复制，将有可能生成大量运动神经元，这些神经元可能用于治疗脊髓损伤或影响运动能力的疾病患者。

“我们能够达到这样的产量，从而可以探讨这些细胞是否可以成为细胞替代疗法的可行候选者，我们希望它们能够做到。这就是这类重编程技术可以带领我们前进的方向。”Katie Galloway说，她是该研究的资深作者，也是麻省理工学院生物医学工程和化学工程的W. M. Keck职业发展教授。

作为将这些细胞开发为疗法的第一步，研究人员证明他们可以生成运动神经元，并将其移植到小鼠的大脑中，这些神经元能够与宿主组织整合。

Galloway是两篇描述新方法的论文的资深作者，这些论文今天发表在《Cell Systems》上。麻省理工学院研究生Nathan Wang是这两篇论文的第一作者。

从皮肤细胞到神经元

大约20年前，日本科学家发现，通过向皮肤细胞输送四种转录因子，可以诱导它们成为诱导多能干细胞（iPSC）。与胚胎干细胞类似，iPSC可以分化为许多其他细胞类型。尽管这种技术效果良好，但它需要数周时间，且许多细胞最终无法完全转化为成熟细胞类型。

“重编程的一个挑战是细胞可能会陷入中间状态。”Galloway说。“因此，我们采用直接转化，而不是经过iPSC中间阶段，而是直接从体细胞转化为运动神经元。”

Galloway的研究小组和其他团队之前已经展示了这种直接转化，但产量非常低——不到1%。在Galloway之前的研究中，她使用了六种转录因子加上两种刺激细胞增殖的其他蛋白。这八个基因分别通过不同的病毒载体输送，这使得很难确保每个基因在每个细胞中以正确的水平表达。

在新发表于《Cell Systems》的第一篇论文中，Galloway及其团队报告了一种简化方法，仅使用三种转录因子加上两个驱动细胞进入高度增殖状态的基因，就可以将皮肤细胞转化为运动神经元。

研究人员从最初的六种转录因子开始，逐一尝试去除，最终发现三种组合——NGN2、ISL1和LHX3——能够成功完成向神经元的转化。

当基因数量减少到三种时，研究人员可以使用单一改造过的病毒将它们全部输送，从而确保每个细胞正确表达每个基因。

研究人员还通过另一种病毒输送编码p53DD和突变HRAS的基因。这些基因使皮肤细胞在开始转化为神经元之前多次分裂，从而大大提高了神经元的产量，约为1100%。

“如果你在非增殖细胞中以极高水平表达转录因子，重编程效率会很低，但高度增殖的细胞更具接受性。就好像它们被激活用于转化，然后对转录因子的水平变得更加敏感。”Galloway说。

研究人员还开发了一种略有不同的转录因子组合，使其能够以较低的效率（10%到30%）在人类细胞中进行相同的直接转化。这一过程大约需要五周时间，略快于先将细胞转化为iPSC，然后再转化为神经元。

细胞移植

在确定了最佳基因组合后，研究人员开始研究最佳的输送方式，这是第二篇发表于《Cell Systems》的论文的重点。

他们尝试了三种不同的输送病毒，发现逆转录病毒实现了最高的转化效率。降低培养皿中细胞的密度也有助于提高运动神经元的整体产量。这种优化过程在小鼠细胞中大约需要两周时间，产量超过1000%。

与波士顿大学的同事们合作，研究人员测试了这些运动神经元是否可以成功移植到小鼠体内。他们将细胞移植到大脑的一个区域——纹状体，该区域涉及运动控制和其他功能。

两周后，研究人员发现许多神经元存活并似乎与其他脑细胞形成了连接。在培养皿中，这些细胞显示出可测量的电活动和钙信号，表明它们能够与其他神经元通信。研究人员现在希望探索将这些神经元移植到脊髓的可能性。

麻省理工学院团队还希望提高人类细胞转化的效率，这将有助于生成大量可用于治疗脊髓损伤或影响运动控制的疾病（如肌萎缩侧索硬化症，ALS）的神经元。目前正在进行使用iPSC衍生的神经元治疗ALS的临床试验，但增加可用于此类治疗的细胞数量将有助于更容易地测试和开发它们，以便更广泛地应用于人类。