科学家利用干细胞培育出 400 多种神经细胞

神经细胞并非仅仅是神经细胞。如果仔细观察，最新的估计表明，人脑中存在数百甚至数千种不同类型的神经细胞。这些类型的神经细胞在功能、突起的数量和长度以及相互连接方式上各不相同。它们向突触释放不同的神经递质，并且根据大脑区域（例如大脑皮层或中脑）的不同，不同类型的细胞处于活跃状态。

当科学家在培养皿中从干细胞中培养神经细胞进行实验时，他们无法解释所有这些多样性。直到最近，研究人员才开发出体外培养几十种不同类型神经细胞的方法。为此，他们使用基因工程方法或添加信号分子来激活特定的细胞内信号通路。但他们从未接近捕捉到体内数百或数千种不同类型神经细胞的多样性。

“源自干细胞的神经元常用于研究疾病。但到目前为止，研究人员常常忽略他们所研究的是哪种类型的神经元，”巴塞尔苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系教授芭芭拉·特鲁特莱因（Barbara Treutlein）说道。

然而，她表示这并不是完成此类工作的最佳方法。

“如果我们想要开发细胞模型来研究阿尔茨海默病、帕金森病和抑郁症等疾病和病症，我们需要考虑参与病理过程的特定类型的神经细胞。”

系统性筛查是成功的关键

Treutlein 和她的团队现已成功培育出 400 多种不同类型的神经细胞，为利用细胞培养进行更精确的基础神经学研究铺平了道路。

苏黎世联邦理工学院的科学家们通过培养源自血细胞的人类诱导性多能干细胞（iPSC）实现了这一目标。他们通过基因工程改造这些细胞中的某些神经元调控基因，并用不同的形态发生素（一类特殊的信号分子）处理这些细胞。特鲁特林的团队采用了一种系统性方法：在筛选实验中使用了七种不同组合和浓度的形态发生素。最终，他们获得了近200组不同的实验条件。

形态发生素

形态发生素是胚胎发育研究中已知的信号物质。它们在胚胎中分布不均匀，并以不同的浓度形成空间梯度。因此，它们决定了细胞在胚胎中的位置——例如，一个细胞是更靠近身体轴线，还是位于背部、腹部、头部或躯干区域。因此，形态发生素有助于决定哪些结构将在身体的不同部位形成。

科学家们运用多种分析技术，证明他们在实验中成功获得了400多种不同类型的神经细胞。他们在单个细胞层面研究了RNA（以及遗传活性），以及细胞的外观和功能，例如它们具有哪些类型的细胞突起以及它们发出哪些神经电脉冲。

研究人员随后将他们的数据与人类大脑神经元数据库中的信息进行了比较。这使得他们能够确定所生成的神经细胞的类型，例如周围神经系统细胞或脑细胞，以及它们来自大脑的哪个区域，以及这些细胞的功能——感知疼痛、寒冷、运动等等。

体外神经元用于寻找活性物质

特鲁特林表示，他们距离体外培育出体内所有类型的神经细胞还有很长的路要走。不过，研究人员现在能够获得比以前更多不同类型的细胞。

他们希望利用体外培养的神经元来开发用于研究严重神经系统疾病的细胞模型，包括精神分裂症、阿尔茨海默病、帕金森病、癫痫、睡眠障碍和多发性硬化症。此类细胞模型对药物研究也具有重要意义，可以在不使用动物的情况下，在细胞培养中测试新活性化合物的效果，最终目标是有朝一日找到治愈这些疾病的方法。

未来，这些细胞还可以用于细胞替代疗法，即将患病或死亡的脑神经细胞替换为新的人类细胞。

但在此之前，有一个问题需要解决：在实验中，研究人员经常会混合几种不同类型的神经细胞。他们目前正在优化方法，使每种实验条件只产生一种特定类型的细胞。目前，他们已经对如何做到这一点有了一些初步的想法。