东方时讯网发表在《干细胞报告》杂志上的一项研究表明，细胞重编程方法允许创建神经网络，该神经网络可以再现人类细胞的独特特征——不同于从啮齿动物细胞获得的特征——具有类似于人脑发育的临时动力学。
因此，基于重新编程的人类细胞的细胞模型可以促进开发新的有效疗法来对抗神经病，同时减少实验室动物实验的使用。
该研究由来自UB神经科学研究所(UBNeuro)和IDIBAPS的医学与健康科学学院的研究员DanielTorneroPrieto领导。来自物理学院和UB复杂系统研究所(UBICS)的研究人员JordiSorianoFradera和EstefaníaEstévez-Priego以及来自隆德大学(瑞典)的ZaalKokaia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
UB生物医学系的DanielTornero指出，尽管我们与大多数哺乳动物共享很大一部分基因组，但“我们的细胞与啮齿动物等其他物种的细胞之间存在相当大的差异，啮齿动物被用作大多数病理学的动物模型”.
“特别是大脑存在非常显着的差异，特别是在组织和连接方面。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不会在相同的环境中重现。这些动物大脑中的方式。”
动物模型研究的局限性可以通过细胞重编程技术来克服，该技术基于人类多能干细胞(hiPSC)的诱导，这是一种由ShinyaYamanaka于2007年开发的方法。这种方法可以从细胞中生成任何细胞类型的培养物对成年人的研究——相对简单、有效且无需相关伦理考虑——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，该团队应用细胞内钙水平记录技术，比较了通过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。这种技术提供了一种间接测量神经元活动的方法：在从一个神经元传递到下一个神经元的神经冲动期间，钙水平以一种特有的方式上升，并且可以被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高分辨率监测神经元活动。实验策略是通过使用特殊的板来完成的，这些板允许通过结合到培养表面的标记来跟踪同一组细胞，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有价值的结果。
不同神经回路之间的差异
该团队首次能够研究和区分生成的不同神经回路的特征——乍一看可能看起来相同的生物结构。
结果表明，从功能的角度来看，人类起源的神经元在生成神经回路时表现不同。这些特征可能部分解释了与用于研究人脑病理的动物模型相关的问题。
“首先，最让我们印象深刻的是决定神经网络生成和成熟的时间尺度。源自人类细胞的培养物表现出丰富而渐进的动态行为，从而使生成的神经元网络的成熟过程一目了然。”从20天到45天的培养观察，”DanielTornero说。“在此期间，由于我们开发了不同的描述符，我们已经能够分析神经网络如何随着时间的推移变得更加复杂，因为人类神经元之间的联系越来越紧密，”研究人员补充道。
此外，人类神经元能够在文化中建立更长的联系，这是由它们的生物学决定的特性，因为人类的大脑比啮齿动物的大脑大得多。
“然而，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行为，在整个进化过程中几乎没有变化，”Tornero说。
安全协议和兼容的细胞库
基于重新编程的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研究疾病的细胞模型在临床前研究——2D培养或器官芯片系统(OoC)——以及最近在基于使用生物材料、类器官或生物打印。
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，各种病理(1型糖尿病、心肌梗塞、脊髓损伤、黄斑变性、帕金森病等)的临床试验也很多。建立安全可靠的方案并生成与人群中存在的不同同种异体群体兼容的细胞库是该研究领域中一些最雄心勃勃的挑战。
“这些新方法对于临床前验证不同疗法非常有价值，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学(神经发育疾病、自闭症谱系障碍、神经退行性病理学等)时，”DanielTornero说。
“此外，基于人类多能干细胞诱导的细胞重编程将使生成患者特异性模型成为可能，并且使用基因编辑工具(例如CRISPR/Cas9技术)，有可能获得控制细胞导致病理的突变得到纠正，”研究人员总结道。