高度成熟的神经元创建

由西北大学的研究人员创造了第一个高度成熟神经元从人类诱导多能干细胞(万能),一个壮举,为医学研究打开新的机遇和潜在的移植治疗神经退行性疾病和创伤性损伤。

虽然之前研究人员干细胞分化成为神经元,这些神经元功能不成熟——类似神经元从胚胎或产后早期阶段。与当前获得的有限的成熟干细胞培养技术减少神经退化研究的潜力。

创建成熟神经元,该团队使用“跳舞分子,”一个突破性的技术介绍了去年由西北教授塞缪尔。粗汞华。团队首先人类万能干细胞分化成电机和皮质神经元,然后把它们放置到涂料的合成纳米纤维分子包含快速移动的跳舞。

不仅丰富了神经元更成熟,他们还演示了增强的信号功能和更大的分支的能力,这是所需神经元建立突触联系。,不像典型的神经元干细胞往往聚集,这些神经元没有聚合,使他们不太具有挑战性的维护。

随着进一步的发展,研究人员认为这些成熟的神经元能够被移植到人身上是一种很有前途的治疗脊髓损伤以及神经退行性疾病,包括肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)、帕金森氏症、阿尔茨海默氏症和多发性硬化症。

成熟的神经元为研究神经退行性疾病也存在新的机会像在文化dish-based ALS和其他与年龄相关的疾病在体外模型。通过推进神经元细胞的时代文化,研究人员可以改善实验来更好地理解晚发性疾病。

“这是我们第一次能够触发先进功能成熟的人类iPSC-derived神经元合成矩阵通过电镀,”西北大学的说Evangelos Kiskinis这项研究的,共同通讯作者。“这很重要,因为有许多应用程序要求研究人员使用纯化的神经元。大多数干细胞实验室使用鼠标或鼠神经元培养人类干细胞的神经元。但这并不允许科学家调查发生在人类神经元因为你最终使用老鼠和人类细胞的混合物。”

“当你有一个iPSC你能变成一个神经元,这将是一个年轻的神经元,”说粗汞华这项研究的,共同通讯作者。“但是,为了是有用的治疗来说,你需要一个成熟的神经元。否则,就像问一个婴儿执行一个函数需要一个成年的人。我们已经证实神经元涂有纳米纤维实现比其他方法更成熟,而成熟的神经元能够更好地建立突触连接神经元功能的基础。”

Kiskinis是西北大学神经病学和神经科学助理教授Feinberg医学院纽约干细胞Foundation-Robertson调查员和一个核心教员莱斯特纳ALS的中心。粗汞华的董事会教授材料科学与工程、化学、医学和生物医学工程在西北,他是创始主任辛普森Querrey生物研究所(SQI)及其附属研究中心再生纳米中心。粗汞华已经任命麦考密克工程学院,Weinberg艺术与科学学院Feinberg医学院。

同步“跳舞”的能力

发展成熟的神经元,研究人员利用纳米纤维组成的“跳舞的分子,”一个粗汞华的实验室开发的材料作为一个潜在的治疗急性脊髓损伤。在先前的研究发表在《科学粗汞华发现,如何调优分子的运动,这样他们就可以找到并适当参与不断移动的细胞受体。通过模拟生物分子的运动,合成材料可以与细胞通信。

粗汞华的一个重要创新的研究发现如何控制超过100000的集体运动分子在纳米纤维。因为细胞受体在人体可以移动速度迅速,有时在毫秒时间尺度,他们成为difficult-to-hit移动目标。

“想象将第二个分成1000时期,“粗汞华说。“这是受体可以移动速度。这些时间尺度如此之快,他们很难理解。”

在新的研究中,粗汞华和Kiskinis发现纳米纤维调到包含分子最运动导致最增强神经元。换句话说,神经元培养更多动态涂料-本质上许多纳米纤维组成的支架也成为最成熟的神经元,最不可能总有更强烈的信号功能。

“我们认为这工作的原因是细胞膜上的受体移动非常快和支架的信号分子也非常快,“粗汞华说。“他们更有可能是同步的。如果两个舞者并不同步,然后配对是行不通的。受体被激活的信号通过非常具体的空间相遇。它也可能我们快速提高受体分子运动,进而帮助集群信号中获益。”

神经元与ALS签名提供新窗口进入疾病

粗汞华和Kiskinis相信他们成熟的神经元会给洞察老龄化带来的疾病,成为更好的候选测试各种药物在细胞疗法的文化。使用跳舞分子,研究人员能够推动人类神经元比以前老的年龄,使科学家能够研究神经退行性疾病的发病。

作为研究的一部分,Kiskinis和他的团队ALS患者的皮肤细胞和转换成特定的万能。然后,他们这些干细胞分化成运动神经元,这是这种神经退行性疾病的细胞类型的折磨。在小说最后,研究人员培养的神经元合成涂层材料进一步发展ALS签名。这不仅给Kiskinis新窗口进入肌萎缩性侧索硬化症,这些“ALS神经元”还可以用来测试潜在的治疗方法。

“第一次,我们已经能够看到成人神经干细胞源性的ALS患者运动神经元蛋白质聚合。这是一个突破,”Kiskinis说。“目前尚不清楚如何聚合引发疾病。这就是我们希望首次发现。”

希望未来治疗脊髓损伤、神经退行性疾病

不久的将来,iPSC-derived成熟,增强神经元也可以移植到脊髓损伤或神经退行性疾病患者。例如,医生可以ALS患者的皮肤细胞或帕金森病,将其转换成万能的,然后培养这些细胞在涂层创建健康、高功能的神经元。

健康的神经元移植到病人可以取代损坏或丢失的神经元,可能恢复失去认知或感觉。因为最初的细胞来自患者,新的iPSC-derived神经元基因匹配的病人,消除排斥的可能性。

“细胞替代疗法可以非常具有挑战性的肌萎缩性侧索硬化症等疾病,在脊髓运动神经元移植需要项目的长轴突到适当的肌肉网站外围为帕金森病,但可以更简单”Kiskinis说。“无论如何这一技术将是革命性的。”

“可以把细胞从一个病人,变换成干细胞分化成不同类型的细胞,“粗汞华说。“但是这些细胞的产生往往是低,和实现适当的成熟是一个大问题。我们可以整合我们的涂料进入大规模生产patient-derived神经元的细胞移植治疗没有免疫排斥。”

参考:阿尔瓦雷斯Z,奥尔特加JA,佐藤K, et al。人工细胞外基质支架的移动分子增强人类神经干细胞的成熟。细胞干细胞。2023:S1934590922004945。doi:10.1016 / j.stem.2022.12.010

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