Proteintech─Nature 封面故事: 一步搞定神經元原位再生

2020年6月24日，《Nature》以封面文章發表了加州大學付向東教授團隊的最新研究成果：Reversing a model of Parkinson's disease with in situ converted nigral neurons，該研究在小鼠帕金森動物模型中抑制”RNA結合蛋白PTB”，使區域特異性星形膠質細胞 (astrocytes) 一步轉分化形成新的神經元 (neurons)，進而改善帕金森症狀。而美國抗體製造商Proteintech有幸能參與這個卓越的研究，其中使用的10支抗體來自於Proteintech (詳見文末列表)。

帕金森病（Parkinson’s diseases, PD），好發於老年者的漸進性神經退行性疾病，65歲的發病率在2%以上，85歲以上的發病率高達5%，全球有超過1000萬患者。

PD的主要病理特徵為中腦黑質區中的多巴胺（DA）神經元喪失，引起下游紋狀體中的多巴胺分泌嚴重缺乏，導致運動障礙等的多種症狀。目前PD的一線治療以藥物、手術為主，但僅能延緩疾病進程或改善部分症狀而不能達到徹底治癒。再生醫療提供了根治PD的可能性，但包括胚胎幹細胞、誘導多功能幹細胞等幹細胞療法面臨整合困難、免疫排斥和致瘤性等挑戰；因此，以基因療法將膠質細胞直接轉分化為神經元將可能是根治神經退行性疾病的更佳策略。

1. PTB抑制神經元細胞生成

在非神經元細胞中，REST抑制miR-124，PTB驅動這一負反饋。但在神經元誘導過程中，miR-124獲得誘導，PTB則減少；沒有PTB作為阻斷，REST會被分解；沒有REST，會導致生成額外的miR-124。這一回路因此變成了一個正回饋，可將非神經元細胞轉變成神經元。

2. 星形膠質細胞在體外和小鼠腦中轉化為功能神經元

研究團隊以大腦中最豐富、可塑性強的“星形膠質細胞”進行轉分化，結果發現分離的小鼠或人源星形膠質細胞經PTB抑制之後，可高效轉分化成表達TUJ1和MAP2標誌蛋白的成熟神經元，且這些神經元具備神經特異的鈉電流和動作電位（圖2 a-b）之功能；隨後研究團隊構建了腺相關病毒載體（AAV-shPTB），將腺相關病毒注射到小鼠中腦、在星形膠質細胞中實現PTB抑制，成功誘導中腦區TH陽性的多巴胺神經元生成，並且新生成的多巴胺神經元同樣具有神經活性（圖2 e-h）。

此後研究團隊還通過對不同腦區進行實驗發現局部微環境會對星形膠質細胞轉分化造成影響，雖然不同腦區的星形膠質細胞都能向神經元細胞轉分化，但只有中腦區的星形膠質細胞能夠高效的轉分化為多巴胺神經元。

3. 新生多巴胺神經元逆轉帕金森小鼠症狀

為探究新生的多巴胺神經元是否能夠治療逆轉帕金森症狀，研究團隊以有毒性的多巴胺類似物6-OHDA注射於小鼠的右腦，“殺死”多巴胺神經元來建立帕金森疾病小鼠模型。隨後，利用類腺病毒表達的RNA干擾分子抑制受損一側中腦區的PTB合成，刺激星形膠質細胞轉化為多巴胺神經元，對小鼠進行“治療”（圖3 a）。實驗發現，小鼠中腦部分星形膠質細胞能轉分化為多巴胺神經元，部分則修補受損側中腦區多巴胺神經元的流失，及增加黑質多巴胺信號通路中軸突纖維密度（圖3 b-i）。

另利用高效液相色譜定量分析腦區提取物，發現新生多巴胺神經元具有多巴胺分泌功能，能夠部分恢復受損一側腦區紋狀體多巴胺的含量（圖4 a-e）；此外通過高靈敏度的碳纖維電極記錄技術，在不同腦區插入電極刺激神經細胞，發現受損側腦區的電位傳導受阻，並且多巴胺釋放水準下降，但這些現象因腺相關病毒載體的注入所挽回（圖4 f-k）,充分表明抑制PTB蛋白所產生的新生多巴胺神經元具有功能神經元活性，並重建黑質紋狀體。

最後，研究團隊對經“治療”的帕金森模型小鼠進行了運動功能檢測，結果發現帕金森小鼠運動能力的下降，但在被腺相關病毒載體“治療”3個月之後，基本恢復正常水準（圖5 a-e）。

接著研究團隊採用化學遺傳學方法進行驗證，在新生神經元上表達“抑制型”的CNO受體hM4Di，讓新生神經元暫時失去功能。結果發現，不加CNO，模型小鼠運動功能在3個月後恢復；而加CNO，60分鐘內運動障礙重新出現，但抑制效應消失後，運動功能再次恢復（圖5 f-j）。這些研究資料充分證明”治療”效果來自星形膠質細胞轉分化形成的新生神經元。

4. 反義寡核苷酸同樣具有效果

反義寡核苷酸（Antisense oligonucleotides, ASOs）是人工構建的反義股寡核苷酸片段，通過堿基互補原理能夠干擾靶標基因的表達。研究團隊使用反義寡核苷酸干擾中腦區的星形膠質細胞的PTB表現，其結果與腺相關病毒shRNA的方式一致（圖6 a-g），意味著反義寡核苷酸作為藥物治療的可能性，於臨床應用具重要意義。