细胞编程，再现人类细胞独特特征的神经网络

　　

   

   

对影响人类大脑的疾病的研究通常基于动物模型，无法再现人类神经疾病的复杂性。因此，这些方法在临床环境中应用于患者时往往失败。在这种情况下，利用皮肤细胞产生人类神经元培养的细胞重编程技术的发现，彻底改变了神经科学创新疗法的研究和发展。

发表在《Stem Cell Reports》杂志上的一项研究表明，这种细胞重编程方法允许创建神经网络，这种神经网络可以复制人类细胞的独特特征——不同于从啮齿动物细胞中获得的特征——具有提醒人类大脑发育的临时动态。因此，基于重新编程的人类细胞的细胞模型可以促进对抗神经疾病的新有效疗法的发展，同时减少在实验室中实验动物的使用。

这项研究由来自医学与健康科学学院、巴塞罗那大学神经科学研究所和IDIBAPS的研究员Daniel Tornero Prieto领导。来自物理系和UB复杂系统研究所(UBICS)的研究人员Jordi Soriano Fradera和Estefanía Estévez-Priego以及来自隆德大学(瑞典)的Zaal Kokaia等人也参与了这项研究。

细胞重编程以克服动物模型的局限性  

布法罗大学生物医学系的Daniel Tornero指出，尽管我们与大多数哺乳动物共享大部分基因组，但“我们的细胞与其他物种(如啮齿动物)的细胞之间存在相当大的差异，这些物种被用作大多数病理的动物模型，特别是，大脑中存在非常显著的差异，特别是在组织和连通性方面。这使得我们的认知能力如此不同，这也解释了为什么导致影响我们大脑的病理的缺陷在这些动物的大脑中不能以相同的方式复制。”

2007年，山中伸弥(Shinya Yamanaka)开发了基于诱导人类多能干细胞(hiPSCs)的细胞重编程技术，可以克服动物模型研究的局限性。这是一种可以从成年人的细胞中产生任何类型细胞的培养方法，相对简单、有效且没有相关的伦理考虑，在细胞治疗和再生医学的临床应用中具有巨大潜力。

作为研究的一部分，研究小组应用了细胞内钙水平记录技术，比较了用细胞重编程技术从人类细胞中生成的神经元培养物与从啮齿动物和人类大脑中获得的神经元培养物的特性。这项技术提供了一种间接测量神经元活动的方法:在神经冲动从一个神经元传递到下一个神经元期间，钙水平以一种特有的方式上升，可以通过细胞内钙传感器记录下来。

该研究系统允许在整个培养过程中动态地对神经元活动进行高分辨率监测。实验策略是通过使用特殊的板来完成的，这种板允许通过标记融入培养表面来跟踪同一组细胞，这种技术可以最大限度地减少变量，并为神经网络的研究产生更可靠和更有价值的结果。

不同神经回路之间的差异  

这是该团队第一次能够研究和区分产生的不同神经元回路的特征，乍一看可能是相同的生物结构。结果表明，从功能的角度来看，人类起源的神经元在产生神经回路时表现不同。这些特征可能在一定程度上解释了用于研究人脑病理的动物模型所存在的问题。

“首先，最让我们震惊的是决定神经网络生成和成熟的时间尺度。来自人类细胞的培养显示出丰富而渐进的动态行为，因此从培养的20天到45天，可以清楚地观察到生成的神经元网络的成熟过程，”Daniel Tornero说。研究人员补充说:“在此期间，多亏了我们开发的不同描述符，我们已经能够分析神经网络如何随着时间的推移而变得越来越复杂，因为人类神经元彼此之间的连接越来越多。”

此外，人类神经元能够在培养物中建立更长时间的连接，这是由它们的生物学特性决定的，因为人类的大脑比啮齿动物的大脑大得多。

Tornero说:“然而，由啮齿动物细胞产生的神经回路在很短的时间内表现出单调的行为，在整个进化过程中几乎没有变化。”

安全协议和兼容的细胞库  

基于重编程人类细胞的细胞模型正在成为动物研究和临床应用之间的相关中间步骤。基于重新编程的人类细胞生成这些用于疾病研究的细胞模型已经在临床前研究中得到了很好的建立——2D培养或芯片上的器官系统(OoCs) 。最近，在基于使用生物材料、类器官或生物打印的3D系统中得到了很好的建立。

在再生医学中，该技术在细胞治疗策略中的应用显示出巨大的潜力，并且在各种病理(1型糖尿病、心肌梗死、脊髓损伤、黄斑变性、帕金森病等)上进行了许多临床试验。建立安全可靠的方案和生成与人群中存在的不同异体群体兼容的细胞库是这一研究领域最雄心勃勃的挑战之一。

Daniel Tornero说:“这些新方法对于临床前验证不同的治疗方法非常有价值，特别是在研究影响基于神经元回路组织的复杂过程的病理时(神经发育疾病、自闭症谱系障碍、神经退行性病理等)。此外，基于人类多能干细胞诱导的细胞重编程将有可能生成患者特异性模型，并使用基因编辑工具(如CRISPR/Cas9技术)，有可能获得导致病理的突变被纠正的控制细胞，”研究人员总结道。

Long-term Calcium Imaging Reveals Functional Development in hiPSCderived Cultures Comparable to Human but not Rat Primary Cultures