讓腦細胞發光！華人學者開發新技術，「照亮」中風治療前景

新聞 07-19

點亮大腦，這個在成功學和管理學中經常提及的事兒，竟然真讓科學家搞出來了。

埃默里大學（Emory University School of Medicine）的研究人員開發了一種名為光化遺傳學（optochemogenetics）的技術，通過在大腦細胞表面創造一種發光蛋白，成功讓大腦神經元發光。

大腦自形成以來的數億年中，一直處於漆黑一片的環境，並未演化出發光的能力。那麼，有個問題必須回答，這項成果到底有什麼用？

實際上，移植神經祖細胞以恢復失去的大腦神經元功能，是一種很有希望的中風患者康復策略，但是幹細胞移植也面臨著諸多問題，尤其是這些移植的神經祖細胞需要一定的刺激和誘導，才能實現大腦受損功能的恢復。

而為了向移植的幹細胞提供這種幫助，研究人員希望通過這種改進版的光遺傳學（optogenetics）技術，可以不用開顱，以非侵入方式在大腦內產生光刺激，從而誘導移植神經祖細胞的生長和分化。

在中風小鼠實驗中，研究人員通過基因工程技術，將編碼發光蛋白和感光蛋白的基因引入誘導多能幹細胞，培養形成神經祖細胞後植入小鼠大腦，然後通過繞過血腦屏障的鼻內遞送熒光素酶底物，激活腦內細胞表面發光蛋白產生光刺激，從而選擇性地誘導神經祖細胞的增殖、分化。

結果顯示，與未接受刺激的幹細胞相比，這種名為光化遺傳學的新型非侵入性技術能夠讓植入的幹細胞變得更健康，形成更多的神經連接，中風小鼠的大腦也顯示出最大的恢復，一些行為和癥狀成功恢復到中風前水平。

（來源：EPFL, Human Brain Project）

這項最新成果於本月初發表在Journal of Neuroscience上。

論文第一作者、埃默里大學醫學院麻醉科終身教授于山平在接受 DeepTech 採訪時表示，「這項研究對於目前普遍的在細胞移植後對移植細胞置之不理的做法是一個突破。」考慮到光在人腦中的非常有限的傳播和光源植入的有創性，光遺傳學的廣泛臨床應用幾乎是不太可能的，而光化遺傳學這種無創性的持續干預療法，可以說是帶有革命性的改進，多個行為學的結果也證明，中風小鼠的多項指標可恢復到正常水平。

當中風迎來幹細胞治療

中風是影響人類健康的最主要風險因素之一，也是造成當今中國人口死亡的頭號病因。和心臟病發作等其它缺血性疾病一樣，腦中風是由血管阻塞而阻礙血液流向大腦組織所致。

中風和心臟病發作時，缺血和缺氧分別會造成大腦神經元和心肌細胞不可逆轉的損傷和死亡。以中風為例，往往突然發作，出現昏倒、半身不遂、口舌歪斜等癥狀，具有極高的病死率和致殘率。儘管人們對於中風發生機制的了解越來越深，但目前仍然缺乏有效的治療藥物，逆轉缺血性中風對大腦造成的不可逆損傷。

圖 | 中風（來源：The Lancet）

近年來，隨著幹細胞技術的不斷發展，細胞移植等再生療法為腦損傷後的組織修復和功能恢復提供了一種有前景的策略。

2006 年，日本科學家山中伸彌（Shinya Yamanaka）成功將成體細胞轉變為誘導多能幹細胞（induced pluripotent stemcells，iPSC），並因此而獲得 2012 年諾貝爾生理或醫學獎。

由於其易獲得性、分化潛能和臨床相關性，誘導多能幹細胞技術的出現，極大地推動了幹細胞和再生醫學的發展，特別是為神經系統疾病的再生治療帶來了光明前景。在中風動物模型中，移植由誘導多能幹細胞分化的神經祖細胞，已經顯示出具有細胞替代、營養支持增加和功能改善的潛力。

圖 | iPSC 衍生的神經元（來源：uq.edu.au）

不過，幹細胞治療並非將幹細胞移植到受損組織，然後靜觀其變那麼簡單。在神經細胞再生治療過程中，移植神經祖細胞的受控生長和分化，以及與現有神經迴路的重新連接，仍是十分關鍵的步驟和挑戰。

就像發育過程中大腦未成熟的神經元一樣，移植到成人大腦中 iPS 細胞衍生的神經祖細胞，其命運和功能表型取決於移植部位的微環境。神經電活動和由此產生細胞信號，是影響神經祖細胞分化的關鍵因素。因此，在幹細胞移植後，適當的刺激和誘導，對於神經元分化和成熟、細胞存活，以及神經突出的可塑性和特定功能形成至關重要。

在這項最新研究中，研究人員認為，對移植細胞的選擇性刺激，可以在中風的大腦組織中為神經網路再生和功能恢復提供良好的微環境和條件，以保障和提高細胞的存活、分化、營養因子合成分泌、突觸形成和網路連接。

「僅僅把這些細胞植入受損的大腦，然後不管不問是不夠的。如果我們期望祖細胞分化成功能性神經元，這些細胞就必須接受模仿它們在大腦中的刺激，還需要合適的生長因子和支持下環境。」于山平教授表示。

大腦說：要有光！

但是，面對複雜且精密的大腦神經元，想要實現對其生長和分化的精確操控，科學家們一時也無從下手。這個時候，就需要一種革命性技術的出現。

2005 年，斯坦福大學 Karl Deisseroth 實驗室發明的光遺傳學（optogenetics）技術，就徹底改變了神經科學領域。光遺傳學技術是通過基因工程技術將光感蛋白基因轉入特定類型的神經細胞，使其在神經細胞表明形成光感離子通道，在不同波長的光照刺激下，光感離子通道會對細胞膜陽離子或陰離子的通過產生選擇性，從而實現對神經元選擇性興奮或抑制的目的。

可以說，光遺傳學技術使得科學家們僅通過光照，就能實現對神經元毫秒級的操控，不僅為深入理解大腦奧秘、神經系統疾病機制提供了革命性工具，也為多種複雜疾病的治療帶來了光明前景。光遺傳學技術也被認為是將獲諾獎的熱門技術之一。

圖 | 光遺傳學技術（來源：Stanford University）

雖然光遺傳學技術為在複雜神經迴路環境下精確操縱神經活動，提供了前所未有的能力，但光照傳遞仍然是限制其在體內臨床應用的主要障礙。當進行體內試驗時，如何向大腦深部進行光傳遞，就成了擺在科學家面前的技術挑戰。

當前將光傳輸到大腦最常見的解決方案，是通過手術植入的光纖與外部光源耦合。但是，這些長期植入的光纖不僅會帶來感染和組織損傷的風險，而且在自由移動的動物身上進行實驗，還會增加不少實際障礙。由於光線的散射和組織的吸收，外部光線通過大腦的傳輸效率也非常低。事實上，大多數從植入的光纖發出的光，在光纖尖端1毫米內就完全衰減。

「光遺傳學是一種極好的技術工具，但它在臨床應用中存在一些障礙。」于山平教授表示，「光纖傳輸具有侵入性，而且光的傳播距離有限，尤其是在更大範圍的人腦內。」

光遺傳學在心臟等其他組織的應用，也面臨著類似的挑戰。雖然在開發需要更少光照的光遺傳學工具（即更敏感和紅移的光感蛋白）方面已經取得了進展，但這種方法在非人類靈長類動物或人類患者身上的可擴展性仍不清楚。

為此，埃默里大學醫學院和喬治亞理工學院的研究人員開發了一種光化遺傳學技術，具體而言，他們創造了一種光化學複合蛋白（luminopsin），作為激活光感蛋白的替代光源。這種「發光蛋白」，來源於生活在深海中的藻類和海洋橈腳類動物（Gaussia princeps），其能夠在一種化學底物熒光素CTZ （coelenterazine）存在時發出生物熒光。