近日，布里格姆妇女医院的研究人员开发了一种快速将干细胞转化为具有帕金森病（PD）特征的脑细胞的技术，这帮助科学家在培养皿中研究该疾病独特且高度可变的病理。
这种新方法使干细胞向脑细胞的转化在几周内可重复进行，同时还允许研究人员开发反映在此时间框架内大脑中可能发生的多种蛋白质错误折叠病理的模型。该团队由布里格姆妇女医院运动障碍科主任、安·罗姆尼神经疾病中心首席研究员Vikram Khurana博士领导，他们认为这种模型未来可能有助于开发个性化的帕金森病诊断和治疗方法。
Khurana表示：“我们希望评估在实验室中快速制造人类脑细胞的方法，这些脑细胞可以让我们窥见帕金森病及多系统萎缩和路易体痴呆等相关疾病患者大脑中发生的关键过程。与之前的模型不同，我们希望在足够短的时间内完成，以便这些模型对高通量基因和药物筛选有用，并且便于学术界和工业界的许多实验室使用。”
Khurana和同事在Neuron期刊上发表的论文中报告了包含病理模型的开发情况，论文题为《快速iPSC包含病理模型揭示α-突触核蛋白包含体的形成、后果和分子亚型》。他们在论文中总结道：“这些可扩展的模型有望用于生物学和药物发现，并作为神经退行性蛋白病的个性化医学工具。”
帕金森病是一种渐进性和退行性的脑部疾病。患有该病的人通常会出现行动迟缓、震颤、肌肉僵硬和言语障碍等健康问题。帕金森病以及其他神经退行性疾病，如阿尔茨海默病，会导致神经元中蛋白质积聚，进而导致蛋白质错误折叠和细胞功能受损。研究人员解释道：“神经退行性疾病，如阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）或额颞叶痴呆，被称为‘蛋白病’，因为它们的标志性病理是在中枢神经系统的各种神经元和神经胶质细胞内广泛存在的富含蛋白质的包涵体。”目前的帕金森病疗法可以缓解一些症状，但无法解决蛋白质错误折叠的根本原因。
诱导多能干细胞（iPSC）衍生的中枢神经系统模型为实时可视化包涵体的形成提供了一种潜在的患者特异性模型系统。现有的“培养皿中的帕金森病”模型可以有效地将干细胞转化为脑细胞，但无法在合理的时间框架内研究患者特异性的细胞病理以指导量身定制的治疗策略。研究人员指出：“目前的人类iPSC模型具有有限的实用性，通常需要较长时间的分化。成熟的包涵体不会在合理的时间内形成。”
这是重要的，因为帕金森病患者是多样的，一刀切的治疗策略可能不适用于某些患者。Khurana表示：“问题在于，蛋白质簇在不同患者中的形成方式看起来不同，即使在同一患者的不同脑细胞中也不同。这引发了一个问题：我们如何在培养皿中模拟这种复杂性？我们如何在足够快的时间内完成，以便对诊断和药物发现具有实际意义？”
为了创建他们的新模型，Khurana的实验室使用了称为PiggyBac载体的工具来引入转录因子，快速将干细胞转化为不同类型的脑细胞。然后，他们在神经细胞中引入易聚集的蛋白质如α-突触核蛋白（α-synuclein; αS），这是帕金森病及相关疾病中蛋白质簇形成的核心。在使用CRISPR-Cas9和其他筛选系统后，他们识别出细胞中形成的多种类型的包涵体，其中一些具有保护作用，一些具有毒性。为了证明与疾病的相关性，他们使用其干细胞模型在已故患者的脑组织中发现了类似的包涵体。研究人员写道：“这些模型揭示了αS包涵体的动态性质，包涵体内的重要分子相互作用，以及在尸检脑中具有潜在生物学相关性的亚型。”
科学家们认为，这项技术将开启新的方法，用于对患者的蛋白质病理进行分类，并确定这些病理中哪些可能是最佳的药物靶点。他们承认，这项技术确实存在需要解决的限制。一个限制是目前技术生成的神经元尚不成熟。研究人员的目标是用成熟的神经元来复制这个模型，以模拟衰老对形成的蛋白质聚集体的影响。虽然新系统可以快速生成脑中的神经元和关键的炎性胶质细胞，但报告的工作仅分别检查了这些细胞类型。团队现在正在将这些细胞类型结合在一起，以研究对帕金森病进展可能重要的蛋白质聚集过程的炎性反应。
研究人员总结道：“我们预计这里描述的快速且可扩展的iPSC包含病理模型将有助于理解包涵体亚类及其不同的生物学后果。他们将能够系统地映射不同αS构象（或‘菌株’）在不同中枢神经系统细胞类型和共培养中的遗传和物理相互作用，并模拟混合的蛋白病理。”
共同第一作者、布里格姆妇女医院神经病学系研究员Alain Ndayisaba博士评论了实验室中已经在进行的临床应用。“在一个关键应用中，我们正在利用这项技术识别候选放射性示踪分子，以帮助我们在诊所看到的活体患者大脑中可视化α-突触核蛋白聚集的病理。”
共同第一作者、布里格姆妇女医院神经病学系研究员Isabel Lam博士补充道：“这项技术将为快速开发来自个体患者的‘个性化干细胞模型’铺平道路。这些模型已经在高效测试新诊断和治疗策略‘培养皿中的临床试验’中使用，因此我们可以将正确的药物针对正确的患者。”
研究人员进一步写道，这些模型现在提供了一条包含“宿主”细胞和可以从患者组织和体液中扩增的蛋白质菌株的患者特异性模型路径。现在，原则上可以在来自个体患者的干细胞模型中轻松测试放射性示踪剂等诊断工具或抗体等治疗工具。
参考文献：https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(24)00409-4?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0896627324004094%3Fshowall%3Dtrue
编辑：王洪
排版：李丽
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