科学家们在实验室中通过干细胞生成了400多种神经细胞类型，这标志着一个全新的突破。此前的研究仅能生成几十种神经细胞类型，而此次的研究成果远超以往。研究人员通过系统性地实验不同形态发生素和基因调控因子的组合，成功复制了人类大脑中神经元的多样性。这一进展为研究阿尔茨海默病、帕金森病等神经系统疾病提供了重大希望，不仅能够创建更准确的疾病模型用于药物测试，还可能在未来实现神经元替代疗法。
“神经细胞并非只有一种。”根据最新的计算结果，人类大脑中有数百到数千种不同类型的神经细胞。这些细胞类型在功能、细胞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，并且根据大脑区域的不同，例如大脑皮层或中脑，活跃的细胞类型也有所不同。
过去，科学家在培养皿中利用干细胞生成神经细胞进行实验时，无法充分考虑到其巨大的多样性。迄今为止，研究人员仅开发出了生成几十种不同类型神经细胞的体外方法。他们通过基因工程或添加信号分子来激活特定的细胞信号通路，但从未接近实际存在的数百甚至数千种神经细胞类型的多样性。
“由干细胞衍生的神经元常被用于研究疾病。然而，到目前为止，研究人员往往忽略了他们具体使用的是哪种类型的神经元，”苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系教授Barbara Treutlein表示。然而，这种做法并不理想。“如果我们想为阿尔茨海默病、帕金森病和抑郁症等疾病开发细胞培养模型，就需要考虑所涉及的具体神经元类型。”
系统性筛选是成功的关键
Treutlein及其团队成功生成了400多种不同类型的神经细胞，为更精确的基础神经科学研究铺平了道路。ETH研究人员通过使用一种由血细胞诱导生成的人类多能干细胞培养物实现了这一目标。在这些细胞中，他们利用基因工程技术激活了某些神经调控基因，并用各种形态发生素（一类特殊的信号分子）处理细胞。研究团队采取了系统化的方法，在筛选实验中以不同的组合和浓度使用了七种形态发生素，从而产生了近200种不同的实验条件。
形态发生素的作用
形态发生素是从胚胎发育研究中已知的信使分子。它们在胚胎中并非均匀分布，而是以不同的浓度形成空间模式。通过这种方式，它们定义了细胞在胚胎中的位置，例如细胞是靠近身体轴线还是位于背部、腹部、头部或躯干。因此，形态发生素有助于决定胚胎中哪些部分会生长为何种结构。
研究人员通过各种分析证明，他们在实验中生成了400多种不同类型的神经细胞。他们检查了单细胞水平上的RNA（即基因活动）、细胞的外部形态及其功能，例如细胞突起的类型和数量，以及它们发出的电神经冲动。
研究人员随后将他们的数据与来自人类大脑神经元数据库的信息进行了比较。通过这种方式，他们能够识别出所生成的神经细胞类型，例如存在于周围神经系统或大脑中的细胞，以及它们来自大脑的哪个部分，感知疼痛、寒冷或运动等。
用于活性成分研究的体外神经元
Treutlein澄清说，他们距离在体外生成所有类型的神经细胞还有很长的路要走。尽管如此，研究人员现在可以接触到比以前更多的不同细胞类型。
他们希望利用体外神经细胞开发细胞培养模型，用于研究包括精神分裂症、阿尔茨海默病、帕金森病、癫痫、睡眠障碍和多发性硬化症在内的严重神经系统疾病。这类细胞培养模型在制药研究中也具有重要意义，可用于测试新活性化合物在细胞培养中的效果，而无需进行动物实验，最终目标是有一天能够治愈这些疾病。
未来，这些细胞还可用于细胞替代疗法，即将患病或死亡的大脑神经细胞替换为新的健康人类细胞。
但在实现这一点之前还有一个挑战需要克服：研究人员在实验中经常生成多种不同类型的神经细胞混合物。他们现在正在优化方法，以便每种实验条件只生成一种特定的细胞类型。他们已经有一些初步的想法来实现这一目标。
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