關(guān)鍵詞：成纖維細胞；誘導神經(jīng)元；誘導神經(jīng)干細胞
如何把皮膚細胞變成神經(jīng)細胞？這是2005年Science雜志125周年慶的125個科學前沿問題中的一個重大問題。在對這個問題的描述中，作者把細胞的轉(zhuǎn)分化比做中世紀煉金術(shù)士的點金術(shù)，并且在文章結(jié)束時說：“搞清楚大約25000個人類基因是如何共同工作形成組織，以及如何正確的引導未成熟細胞的培養(yǎng)，將會花費研究者們數(shù)十年的時間，但一旦成功，這個成果將比黃金珍貴得多［1］”。
神經(jīng)系統(tǒng)包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)、周圍神經(jīng)系統(tǒng)和植物神經(jīng)系統(tǒng)，許多因素如感染、中毒、免疫損傷、營養(yǎng)障礙、內(nèi)分泌紊亂以及遺傳因素等都可使神經(jīng)系統(tǒng)受損，神經(jīng)細胞的變性、凋亡或者壞死，會導致神經(jīng)功能障礙或者缺失。由于神經(jīng)細胞的不可再生性，神經(jīng)損傷的修復是一個世界性難題，特別是中樞神經(jīng)系統(tǒng)，曾經(jīng)很長一段時期被認為是無法修復的。神經(jīng)元廣泛丟失或者脫髓鞘以后，神經(jīng)系統(tǒng)很難自我修復，臨床上一直缺乏有效的治療手段。利用干細胞（胚胎干細胞和成體干細胞）研究神經(jīng)的修復一直是干細胞研究的熱點。其中包括胚胎干細胞或成體干細胞的定向誘導、誘導多能性干細胞的定向誘導以及成體細胞的細胞譜系轉(zhuǎn)換獲得神經(jīng)細胞等多種方法。其中成體細胞的細胞譜系轉(zhuǎn)換即將皮膚細胞轉(zhuǎn)換成神經(jīng)細胞相對來說，誘導效率更高，分化更完全，有效的降低了成瘤性，是一種更高效和更安全的誘導方法。
1. 神經(jīng)元的誘導
1.1. 2010年斯坦福大學的MariusWernig等人，用類似Yamanaka的誘導多能性干細胞的技術(shù)，用Ascl1、Brn2/4和Myt1L（ABM）三個轉(zhuǎn)錄因子成功的把小鼠的成纖維細胞轉(zhuǎn)化成為了誘導神經(jīng)元（induced neurons，iNs）［2］。這是在這個領(lǐng)域的一次開創(chuàng)性成果，以后的許多研究都是追隨著這個研究。Marius Wernig等人的研究用的是直接轉(zhuǎn)分化的方法，這種方法繞過了多潛能細胞或前體細胞，將一種類型的成體細胞直接跨譜系轉(zhuǎn)化成了另一種成體細胞。這種方法縮短了誘導時間，操作比較簡單，致瘤性和免疫原性也比較小。用這種方法可以成功的誘導多種神經(jīng)元細胞。
1.2. 帕金森病是嚴重危害老年人的一種退行性神經(jīng)疾病，多巴胺能神經(jīng)元是帕金森病的關(guān)鍵細胞，在帕金森病人的中腦黑質(zhì)中多巴胺能神經(jīng)元變性壞死，使得紋狀多巴胺能神經(jīng)元細胞顯著減少，如果能修復或者再生可以持續(xù)分泌多巴胺的神經(jīng)元就能治療這個疾病。2011年，丁勝及其團隊用miR-124和兩個轉(zhuǎn)錄因子MYT1L和BRN2成功的用胎兒成纖維細胞誘導出了多巴胺能神經(jīng)元［3］。2014年Maria Teresa Dell’Anno和她的同事們用Ascl1、Nurr1和Lmx1a誘導出了有功能的誘導多巴胺能神經(jīng)元，并把它們移植到了帕金森病模型大鼠的體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)這些誘導出來的小鼠可以長期存活，并且確實改善了這些大鼠的運動功能［4］。
1.3. 運動神經(jīng)元受損會引起一些外周性神經(jīng)疾病，比如折磨著著名理論物理學家霍金的肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）等，修復和再生運動性神經(jīng)元就是治療這一類疾病的關(guān)鍵，Esther Y. Son等人用ABM加上了一些特異性的運動神經(jīng)元的因子把人和大鼠的成纖維細胞轉(zhuǎn)化成了誘導運動神經(jīng)元（induced motor neurons ，iMNs），這些iMNs具有神經(jīng)電生理特性并能形成突觸，把它們移植到肌萎縮側(cè)索硬化癥的模型小雞的脊髓中后，發(fā)現(xiàn)有80%存活的iMNs從神經(jīng)根向周圍的肌肉組織伸出了突觸［5］。
2. 神經(jīng)膠質(zhì)細胞的誘導
除了神經(jīng)元細胞，成纖維細胞還可以轉(zhuǎn)分化成為神經(jīng)膠質(zhì)細胞，比如星形膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞和施旺細胞。星形膠質(zhì)細胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中數(shù)量最多的細胞，在神經(jīng)回路的發(fā)育和維持中有重要作用，有一定的再生功能。星形神經(jīng)膠質(zhì)細胞受損會引起類似ALS這樣的神經(jīng)退行性疾病，甚至有報道星形膠質(zhì)細胞與自閉癥和精神分裂癥有關(guān)。少突膠質(zhì)細胞形成了包繞神經(jīng)元軸突的“電線”外皮，功能異常會導致像多發(fā)性硬化癥這樣的脫髓鞘病變。施旺細胞的作用也是包繞髓鞘，對周圍神經(jīng)的再生意義重大。
2015年MassimilianoCaiazzo等在眾多轉(zhuǎn)錄因子中篩選出了NFIA、NFIB和SOX9三個因子，可以把人和大鼠的成纖維細胞轉(zhuǎn)化成有功能的誘導星形膠質(zhì)細胞［6］。Marius Wernig實驗室則篩選出Sox10、Olig2和Zfp536三個因子制備出了高效率的誘導少突膠質(zhì)細胞，當把它們移植到髓鞘堿性蛋白基因敲除小鼠的胼胝體和小腦后，它們可以分化成為成熟的少突膠質(zhì)細胞，并且還可以形成包裹了軸突的髓鞘［7］。Eva C. Thoma等則僅用一種化合物：多激酶抑制劑化合物B，就將包皮成纖維細胞誘導成了施旺細胞，這些施旺細胞可以形成髓鞘，而且還具有電生理功能［8］。這些研究為治療周圍神經(jīng)損傷帶來了新的希望。
3. 其他誘導方法
3.1. 小分子誘導
在所有的重編程轉(zhuǎn)分化的策略中，小分子誘導具有無基因組整合，操作簡單，劑量易控與可逆性等優(yōu)點，受到了廣泛的關(guān)注。小分子可以通過調(diào)控表觀遺傳修飾，信號通路與代謝激酶等多種途徑來影響細胞命運轉(zhuǎn)變過程，進而實現(xiàn)重編程效率的提升并替代相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子。第一次完全由小分子誘導的神經(jīng)細胞是2015年Ping Dai等人用6個確定的化合物完成的，他們的轉(zhuǎn)化效率能達到80%，而且不受細胞來源的年齡和培養(yǎng)代數(shù)的影響［9］。3個月后，上海生命科學研究院的裴剛實驗室也發(fā)表文章，表明他們用了7個化合物將正常人和阿爾茨海默病患者的皮膚細胞誘導成了神經(jīng)元細胞［10］。同時，同濟大學仁濟醫(yī)院的Huiming Xu等人，在神經(jīng)營養(yǎng)因子3基因修飾的嗅鞘細胞的條件培養(yǎng)基中加入SB431542、GDNF和RA三種小分子化合物，經(jīng)過三周的培養(yǎng)，成功的將小鼠的成纖維細胞轉(zhuǎn)變成為了氨基丁酸能神經(jīng)元。這種神經(jīng)元的損傷或缺乏可以導致癲癇和自閉癥譜系神經(jīng)障礙［11］。
3.2. microRNA誘導
microRNA作為內(nèi)源基因編碼的非編碼單鏈分子，不翻譯成蛋白質(zhì)，但參與轉(zhuǎn)錄后基因表達調(diào)控，在細胞增殖和細胞周期調(diào)控中起著重要作用，可以誘導多種細胞的轉(zhuǎn)分化。Andrew S. Yoo等人的研究表明，miR-9/9*-124在神經(jīng)元細胞命運決定中起重要作用，過表達它們可以使人的成纖維細胞轉(zhuǎn)換成為神經(jīng)元細胞，NEUROD2、ASCL1和MYT1L可以促進這個過程［12］。Zhou Chen等人發(fā)現(xiàn)，過表達多能性干細胞特異性miRNA簇miRNA-302/367和另外兩個神經(jīng)特異性miRNA，包括miRNA-9/9*和miRNA-124可以誘導成纖維細胞轉(zhuǎn)化為神經(jīng)元［13］。Yuanchao Xue等人則發(fā)現(xiàn)，通過miR-124抑制單個RNA結(jié)合多聚嘧啶序列結(jié)合蛋白（PTB）可以誘導人成纖維細胞轉(zhuǎn)分化為功能性神經(jīng)元［14］。
4. 間接轉(zhuǎn)分化
由于終末的或半終末的細胞直接轉(zhuǎn)分化存在一些缺陷，終末細胞擴增能力有限，分化效率比較低，而且移植后的存活率以及功能性整合率都比較低，所以人們又傾向于采用間接轉(zhuǎn)分化的方法，就是將一種成熟細胞重編程成為一種具有可塑性的中間狀態(tài)，如干細胞或前體細胞，然后再誘導成我們要的功能細胞。
4.1. 誘導神經(jīng)干細胞（inducedneural stem cells, iNSCs）
誘導神經(jīng)干細胞（iNSCs）具有很強的可塑性和分化再生的能力，并且可以抗炎抗凋亡，具有免疫調(diào)節(jié)的作用。Marc Thier等在小鼠成纖維細胞中通過先短暫表達Oct4，再持續(xù)高表達Sox2、Klf4和c-Myc，得到了可以在體外傳代超過50代的誘導神經(jīng)干細胞（inducedneural stem cells, iNSCs），這些iNSCs與神經(jīng)干細胞NSCs有著類似的表型和基因型，并可以分化成為神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞［15］。
4.2. 誘導神經(jīng)前體細胞（inducedneural progenitor cells, iNPCs）
中科院潘光錦課題組在人體的尿液上皮細胞中利用隨體過表達4個Yamanaka因子，Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc，并在誘導期間的不同時間段加入6個小分子化合物，結(jié)果得到了類似于神經(jīng)干細胞的誘導神經(jīng)祖細胞（iNPCs），這些非轉(zhuǎn)基因的誘導神經(jīng)祖細胞可以自我更新并在體外分化成多種神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞，并可在新生小鼠的腦中移植成活和分化［16］。
Mi-Sun Lim等在小鼠成纖維細胞中過表達Bcl-xL和Myt1L可將其誘導成為誘導神經(jīng)前體細胞，這種iNPCs可以擴增超過100倍，在過表達Nurr1和Foxa2后產(chǎn)生具有突觸前神經(jīng)元的功能的成熟的中腦多巴胺能神經(jīng)元，并在帕金森氏病模型小鼠的治療上有一定的潛力［17］。
4.3. 神經(jīng)限制性前體細胞
鑒于誘導神經(jīng)干細胞和誘導神經(jīng)前體細胞在移植后增殖能力有限、存活率低，而且主要分化方向是神經(jīng)膠質(zhì)細胞，只有很少量的細胞可以分化為有功能的神經(jīng)元，Changhai Tian等通過異位表達Brn2、Sox2和Foxa2將小鼠成纖維細胞轉(zhuǎn)分化成為神經(jīng)限制性前體細胞，這種細胞只向神經(jīng)元分化，并且有較強的再生和遷移能力，在帕金森氏病模型鼠大腦移植后可以緩解功能性運動障礙，并減少紋狀體DA神經(jīng)元軸突目的地的損失。而且最重要的是在移植后的小鼠大腦中檢測不到星形膠質(zhì)細胞和腫瘤［18］。
結(jié)語
目前，皮膚細胞（成纖維細胞）已經(jīng)可以成功的被轉(zhuǎn)化成各種神經(jīng)細胞，而且這些細胞在動物實驗中也可以產(chǎn)生一定的功能，但是要走向臨床還存在著不少的問題，比如轉(zhuǎn)分化的細胞的免疫原性，轉(zhuǎn)分化藥物（小分子化合物）的毒性，轉(zhuǎn)化效率以及移植的存活率，以及它們與機體原有的神經(jīng)細胞如何整合等等，還有很多的研究工作需要進行。其中導入特定基因的方法效率較高，但有較高的成瘤性危險，引入合成mRNA誘導或用小分子誘導的方法可以避免病毒引起的基因組整合，可以提高轉(zhuǎn)化的安全性，是未來這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。同時，對皮膚細胞的轉(zhuǎn)分化的研究，也有助于我們了解細胞命運決定以及生物發(fā)育的深層規(guī)律，為進一步的研究工作打下基礎(chǔ)。
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