人类大脑神经由于区域的高度局限性，再生能力极其有限，这极大地阻碍了损伤或疾病导致的神经元功能障碍甚至丧失功能后的神经元再生或功能恢复。而将外源性神经元干细胞移植到大脑中会遇到一些难以解决的问题，如免疫排斥和诱发肿瘤的风险。最近有研究发现内源性胶质细胞可以直接转分化为功能性神经元，为成人神经再生提供了新的思路。
2021年7月20日，Fengchao Wang教授领导的研究团队在Neurosci. Bulletin杂志上发表了名为Reprogramming Glial Cells into Functional Neurons for Neuro-regeneration: Challenges and Promise的研究综述，作者详细阐述了胶质细胞直接转分化基本分子机制、关键细胞因子的发现，如胶质细胞的起源和神经内环境，以及未来研究应用中的挑战。作者表示，虽然原位胶质细胞直接转分化获取神经元在神经元修复方面具有巨大潜力，但它仍需要大量的研究来为治疗应用铺平道路。
在研究进程中，研究人员发现，组织再生能力与生物进化等级呈一定的反比状态，例如，硬骨鱼的视网膜在受伤后具有显著的神经元再生的能力而这种能力在鸟类中受到严重限制，在啮齿动物中则完全不存在。在大多数的哺乳动物中，器官修复的可能性非常低，特别是中枢神经系统（CNS）在受伤或疾病后神经元自我再生能力极小。研究人员认为，成熟的哺乳动物大脑无法产生大量新的神经元。然而，许多神经系统疾病，特别是神经退行性疾病，如帕金森，亨廷顿、肌萎缩性侧索硬化症等都与神经元显著退化或缺失有关。虽然在少数哺乳动物的成熟大脑中的潜伏区发现有神经干细胞（NSC），其中在海马结构和下丘脑中NSC可以原位增殖分化成成熟神经元，但人类大脑中是否存在相同的NSC仍在研究之中。此外，也有研究人员表示，NSC提供的神经元数量太少，无法修复成人或动物大脑中神经系统疾病造成的神经元损失。
因此，一个长期备受青睐的理论假设是：在CNS的细胞病变部位再生新的神经元是治疗神经性疾病的可行方法。鉴于内源性NSC的再生能力有限，在过去的几十年中，科研人员做了大量的研究，以开发其他方法在CNS中实现神经再生。但是，NSC以及其分化的神经元的移植面临着一些挑战，如相关的免疫排斥、基因突变导致肿瘤产生的风险、伦理问题以及供体短缺的问题。此外，移植也不可避免地扰乱该位置的内部环境，经常会导致严重的炎症或脑水肿引起的阻塞性脑积水。然而胶质细胞直接转分化不仅避免了上述问题，还具有安全与效率远高于NSC移植的优点，因此直接转分化越来越受到重视。
细胞转分化，也称细胞重编程，是指利用合适的生物因子组合，不经过中间多能状态，将成熟的体细胞转分化为另一种成熟体细胞的技术。将胶质细胞直接转分化获取神经元一般有两个步骤：1.抑制胶质特异性基因表达；2.引起关键基因的表达。目前直接诱导胶质细胞转分化获取神经元的方法主要有三种：1.直接或间接的过表达单个TF或者TF组合的生物因子。2.使用化学小分子。3.抑制PTB基因。虽然已经有多种方法实现转分化，但其分子作用机制仍不是十分清楚。最近在活体延时细胞成像、实时qRT-PCR和RNA测序技术方面的突破揭示了直接转分化的部分分子作用机制。
图片来源于《Reprogramming Glial Cells into Functional Neurons for Neuro-regeneration: Challenges and Promise》
研究人员使用高通量RNA测序技术和染色质免疫沉淀技术研究确定，在将星形胶质细胞转分化神经元的过程中，与Ascl1相关的大约有107个下游目的基因。在这些目的基因中，TFs Klf10调控Ascl1直接转分化过程中早期神经发育，Myt1和Myt1l调控后期的电生理成熟，而TF Neurod4和染色质重塑因子Chd7则参与调控整个过程。此外，表观遗传修饰也参与细胞转分化过程，通过增加染色质的可访问性，过表达TF等生物因子完成转分化。在成熟哺乳动物CNS中，胶质细胞具有天然的增殖能力和广泛的分布，这让胶质细胞成为直接转分化神经元最理想的启动细胞。
在哺乳动物大脑中，胶质细胞具有高度异质性和多样性，主要有星形胶质细胞、NG2细胞和小胶质细胞。迄今为止，研究人员已经验证这三种类型都可以在体内直接转分化神经细胞。如在视网膜中，Müller胶质细胞通过过表达Ascl1和抑制PTB基因来转分化为双极细胞、无长突细胞和结节投射神经元。研究人员表示，在神经退化或创伤性损伤后，反应性胶质细胞会迅速增值，然后形成胶质疤痕，以防止神经元组织进一步损伤。考虑到这个过程会涉及各种胶质细胞，反应过程十分复杂，如果胶质细胞直接转分化获得神经元的过程可以很好的控制，在损伤后的特定的时间点影响特定的胶质类型，例如在胶质疤痕的形成阶段控制星形胶质细胞直接转分化，将会是一个理想的治疗方法。精 确控制胶质细胞直接转分化过程获取所需的神经元，在神经退行性疾病的研究和治疗应用方面具有巨大的潜力。
尽管前景良好，这仍然有一个根本性问题：新生成的神经元是否具有内源性神经元类似的功能，如突触的形成、传递信号能力、与宿主神经元形成正确交错连接的能力等。对此，作者整合前人研究并验证之后表示，诱导神经元的形态学和电生理学结果直接表明，胶质细胞的直接转分化可以产生与邻近内源神经元功能相似的神经元。此外，有新的研究表明，这些新的诱导神经元可以通过在体内不同的大脑区域形成神经末梢并正确连接，整合到现有的神经回路中。多个研究结果表明了胶质细胞应用的各种可能性，除了NSC移植外，还可以为受伤或患病的大脑提供神经再生的替代细胞源。
目前胶质细胞的直接转分化应用仍面临几个巨大的挑战，首先，基于病毒的基因重组系统有外来病毒的风险。其次，在各种脑部疾病中丢失的神经元各不相同，相应的诱导神经元需要不同的生物因子组合来进行转分化，目前而言，这仍在研究之中。最后，对人类胶质细胞直接转分化的研究几乎都是在动物身上完成的，目前仍缺少系统的研究。此外，由于伦理问题，胶质细胞转分化获取神经元的实验不能直接在人脑中进行，因此，胶质细胞直接转分化神经元在神经退行性疾病的研究应用上，仍有很长的路要走。
易赛腾生物科技有限公司 李福云编译
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