成纖維細胞向運動神經元的分化研究進展

施玉婷，李 峰

(1.首都醫科大學2013級長學制臨床醫學(兒科醫學方向)，首都醫科大學附屬北京兒童醫院，北京 100013； 2.首都醫科大學神經生物學系，北京腦重大疾病研究院，北京神經再生修復研究重點實驗室，北京 100069)

脊髓性肌萎縮癥(spinal muscular atrophy，SMA)和肌萎縮性側索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)等是一類不明原因的以運動神經元(motor neurons，MNs)進行性變性為主要特征的疾病，會引起肌萎縮無力、運動障礙，甚至癱瘓、死亡。對此尚無有效的治療方法，細胞替代治療是當前研究的主要手段，移植細胞主要包括MNs、神經干細胞(neural stem cells，NSCs)、胚胎干細胞(embryonic stem cells，ESCs)等。如何在體外獲得大量上述細胞是問題的關鍵。

1998年11月，威斯康星大學的科學家[1]培育出了具有分化潛能的人ESCs，可利用其得到靶細胞甚至靶器官用以移植。但在對ESCs的研究中發現，該細胞具有致瘤性，異體移植存在免疫排斥，同時還存在倫理學爭議，很大程度上限制了其應用。2006年日本京都大學的Yamanaka等人[2]將4個基因(OCT4，SOX2，C-MYC，KLF4)導入小鼠胚胎成纖維細胞(mouse embryonic fibroblasts，MEFs)內，轉化得到形態和功能都和ESCs很相似的多能誘導干細胞(induced pluripotent stem cells，iPSCs)，開創了細胞重編程技術的新時代。這種細胞來源于自身已成熟的體細胞，能避免免疫排斥。隨后研究者們開始探索如何將已分化的細胞在特定條件下逆轉為iPSCs，或是直接得到靶細胞，如MNs。本文就體外分化得到MNs的研究方法進行歸納和總結。

多種細胞均可用于體外分化，如間充質干細胞[3]、骨髓細胞[4]、成熟B淋巴細胞[5]，但因成纖維細胞易于獲得，目前研究最多。本文探討以下三種由成纖維細胞獲得MNs的方法，即經iPSCs中間狀態、直接轉化和經NSCs中間狀態。

1 成纖維細胞經iPSCs中間狀態轉化成MNs

1.1 成纖維細胞轉化成iPSCs

迄今已有很多方法可將體細胞誘導為iPSCs，包括體細胞核移植、細胞融合、細胞提取物重編程和直接重編程。其中，直接重編程是向體細胞內轉入特定的轉錄因子或基因來誘導，如，SOX2、OCT4、C-MYC和KLF4，它們都與細胞全能性或多能性的維持有關。細胞的轉化效率和速度與體細胞的來源、轉錄因子、轉入途徑和培養條件等因素息息相關。有些體細胞在重編程的過程中易于獲得較高的轉化效率，這是由于不同分化程度和種類細胞的蛋白質和DNA結合緊密程度不同，導致外源性轉錄因子結合到細胞DNA中的難易程度不同。Yamanaka等人[2]所用的四因子是細胞重編程實驗中的標準轉錄因子，用其他因子替換原本的一種或幾種轉錄因子，也能實現細胞重編程，但轉化時效可發生改變。比如有些體細胞自身可內源性表達一種或幾種特定Yamanaka因子，不需要外源添加，如成纖維細胞可表達C-MYC和KLF4，在重編程過程中就可不用添加KLF4因子，但會減小轉化效率并延長轉化時間。2006年Yamanaka等人[2]成功得到iPSCs后，由Takahashi等[6]、Brambrink等[7]、Kim等[8]、Ban等[9]、Mandal和Rossi[10]等進行的多項重編程實驗陸續開展，他們通過把以Yamanaka因子為主的不同轉錄因子導入到逆轉錄病毒、慢病毒、仙臺病毒、改良后的mRNA這幾種載體中，將人成纖維細胞或臍帶血細胞轉化為iPSCs，轉化時間由12 d到40 d不等，轉化效率由0.001%～4.4%不等，進一步證實了重編程方法的可行性。

此外，利用一些小分子物質部分或者完全替代重編程因子可提高轉化效率，由此得到的iPSCs被稱為化學誘導多能誘導干細胞(chemically induced pluripotent stem cells，ciPSCs)。這些小分子物質通過調節細胞的表觀遺傳學、細胞信號通路、細胞凋亡、細胞衰老和代謝等機制來發揮作用[11]。Hou等人[12]利用7種小分子完全替代外源性轉錄因子，成功地由MEFs得到iPSCs，轉化效率達到0.2%，相比于Yamanaka等[2]的轉化方法(0.01%～0.1%)效率提高將近200倍，這7種分子分別是forskolin(FSK)、2-甲基-5羥色胺(2-Me-5HT)、D4476、VPA、CHIR99021(CHIR)、616452和tranylcypromine，前三種可以代替OCT4，后四種可聯合OCT4完成細胞重編程。不過迄今仍未有人源ciPSCs體外獲得的報道。

1.2 iPSCs轉化為MNs

iPSCs轉化成MNs的過程可以分成兩個階段，第一階段通過向iPSCs培養基內添加不同的小分子得到擬胚體(embryoidbody，EB)或神經玫瑰花樣結構(neural rosette)，即神經前體細胞(neural precursor cells，NPCs)；第二階段通過添加特定因子可將NPCs分化成為MNs，這一過程主要依賴于RA的尾端化和SHH的腹側化。

Santos等人[13]在EB培養階段的第1～7天添加了SB431542和DM，隨后在培養的第5～24天添加RA和SAG1.3(分別促進神經元的尾側化和腹側化)，第24天選出單個細胞并將其置于MNs培養基中培養，2 d后可得到有絲分裂后的MNs，轉化效率為15%～25%。

Shimojo等人[14]在分化早期應用GSK-3β抑制劑和SMAD抑制劑，用以抑制細胞凋亡和促進細胞的分化增殖，一周內誘導得到表達PAX6和SOX1基因的NPCs，隨后應用RA和purmorphamine活化SHH信號通路以促進NPCs的分化和增殖，兩周內可得到表達HB9和ISL-1的MNs，之后在促進MNs成熟的培養基中培養4周，可以得到成熟的MNs。

iPSCs技術在應用上的局限性主要體現在三個方面：一是誘導過程復雜，耗時較長(一般為3～4周)；二是轉化效率較低(一般為0.001%～0.01%)；三是臨床應用的安全性欠缺。在向供體細胞中引入外源基因時，病毒載體可能將外源基因整合到細胞基因組中，導致供體細胞發生基因突變，此外，C-MYC和KLF4是致癌基因，因此iPSCs技術的安全性有待提高，轉入因子及載體的選擇需進一步改進。

2 成纖維細胞體外直接轉化為MNs

細胞直接轉化的第一個證據來源于PAX6，這個基因的缺失會影響前腦發育過程中神經元的形成，而單個此基因能使從大腦皮層分離的神經膠質細胞轉化成神經元[15]。由此發現成熟細胞的分化狀態是可逆的，采用過表達轉錄因子或添加小分子等方法可改變細胞類型，這種方法即為細胞直接轉化。

2.1 單純利用轉錄因子進行直接轉化

20世紀80年代，Davis等人[16]首次利用單一轉錄因子MYOD(在內源性肌細胞分化過程中起重要作用的因子)成功將MEFs轉化為肌細胞，給細胞直接轉化技術的發展帶來了希望，隨后研究者們陸續發現了一些新的轉錄因子。

Vierbuchen等人[17]首先找出了19種在神經發育過程中起重要作用的基因，轉入小鼠成纖維細胞，成功得到誘導性神經元(induced neuronal cells，iNs)。隨后，為減少轉錄因子數量，他們利用BRN2、MYTLl、ZIC1、OLIG2和ASCL1五因子成功得到了有高度復雜形態的iNs；進一步實驗證實BAM(BRN2、ASCL1、MYTLl)或BAZ(BRN2、ASCL1、ZIC1)三因子得到神經元的效率比五因子高2～3倍，其中BAM三因子得到的神經元比BAZ三因子具有更復雜的生物學形態和功能特性。但該實驗得到的神經元并不特異，要得到MNs還需要添加額外的轉錄因子，需要進一步的實驗研究。

Son等人[18]首先挑選出MNs分化過程中起重要作用的8種轉錄因子(SOX1、PAX6、NKX6.1、OLIG2、NGN2、LHX3、ISL1、HB9)，以及上述BAM三因子，先后單獨利用BAM三因子和8種MNs分化因子，結果均未由MEFs直接得到MNs，而聯合應用這11種因子能夠獲得MNs。通過逐一排除，最終確定7因子轉化體系(BAM三因子加上LHX3、ISL1、NGN2和HB9四種轉錄因子)，轉化效率可達5%～10%。在此基礎上若添加NEUROD1，就可將人成纖維細胞轉化成MNs。

Zhang等人[19]將上述8種轉錄因子(包括NEUROD1)轉入SMA患者的成纖維細胞可得到患者特異性的MNs，轉染后第43天，部分細胞可表達MNs標志物ISL1、CHAT和HB9。在此實驗中，正常對照組和SMA組的轉化效率分別是5.5%和5.8%，相差不大。但與對照組相比，SMA組得到的誘導性MNs(iMNs)在第45～48天神經突起的生長速率顯著減慢，60 d后神經元明顯退化，數量顯著減少。這一結果與SMA患者的臨床表現相一致，證實了SMA的發生機制的確與運動神經元損害相關，因此iMNs可作為SMA發病機制研究和藥物篩選的細胞模型。

2.2 聯合應用小分子和轉錄因子進行直接轉化

由于單純利用轉錄因子的轉化效率較低，研究者們開始尋找有效的小分子物質來提高轉化效率。Liu等人[20]首先選出7種與神經元發育和存活相關的小分子，嘗試聯合轉錄因子NGN2將人胚肺成纖維細胞(human fetal lung fibroblasts，HFLFs)轉化成神經元，結果證實FSK和DM能使NGN2將HFLFs成功轉化成MNs。但應用于出生后和成人的皮膚成纖維細胞，獲得神經元的效率很低，添加轉錄因子SOX11和小分子FGF2，并將培養時間由4 d延長至10 d，能顯著提高神經元的轉化效率(第21天20.3%～57.2%表達TUJ1)，與單獨應用轉錄因子相比增高4～10倍。但此方法培養時間相對較長，得到的膽堿能神經元不表達ISL1和LHX3這兩種對于MNs發育非常重要的蛋白，Liu等人[21]在此基礎上又用攜有NGN2、SOX11、ISL1和LHX3的慢病毒載體感染ALS患者的皮膚成纖維細胞，并添加小分子FSK、DM和FGF2，成功得到ALS患者的iMNs。這種iMNs雖然具備一般MNs的細胞和電生理特性，但存活困難、胞體縮小、活動度降低，無法形成神經肌肉接頭，用于藥物篩選實驗，結果發現小分子物質kenpaullone可以顯著促進其樹突向外生長，恢復胞體大小，并能使神經元的興奮性趨于正常，幫助提高其形成神經肌肉接頭和控制肌肉運動的能力。

2.3 單純利用小分子進行直接轉化

應用載體攜帶外源基因進行細胞轉染存在基因整合突變的安全隱患，既然小分子物質部分替代轉錄因子能夠提高細胞轉化效率，有必要研究單純利用小分子能否實現細胞直接轉化。

Li等[22]首次單純利用小分子物質forskolin、ISX9、CHIR99021和I-BET151進行小鼠成纖維細胞的轉化，成功得到有原始神經元形態并能表達TUJ1的細胞，轉化效率大于90%，這種單純應用化學物質轉化得到的神經元被命名為化學誘導神經元(chemical-induced neurons)。此方法便于操作和標準化，可避免病毒載體帶來的免疫原性和基因整合等安全性問題，是一種新的體外細胞直接轉化的研究思路。

既往將小鼠成纖維細胞體外直接轉化成iNs或iMNs的實驗多采用BAM這三種轉錄因子，而人成纖維細胞需要額外添加NGN2，并且聯合應用小分子物質的轉化效率要顯著高于單純利用轉錄因子。成纖維細胞直接分化為iMNs的方法相比于經過iPSCs這一中間狀態來說轉化時間更短，效率更高，但臨床應用上存在缺陷，因為通常移植細胞的需求量大，而成熟iMNs無法進行分裂增殖，所以患者能應用的體細胞數量有限，因此有必要考慮將成纖維細胞轉變成可以大量增殖且具有多能性的NSCs，再將其進一步分化為MNs。

3 成纖維細胞經NSCs這一中間狀態分化為MNs

目前獲得iNSCs的方法主要有兩種：直接誘導法和間接誘導法。直接誘導法就是在體細胞內轉入NSCs表達的特定基因，或者利用microRNA等其他小分子直接得到iNSCs；間接誘導法就是在體細胞重編程為iPSCs的過程中改變誘導環境，使其成為iNSCs。

3.1 直接誘導法

Zhu等人[23]用OCT4單個基因聯合A83-01、CHIR99021、NAB、LPA、rolipram和SP600125成功將人成纖維細胞誘導成能表達PAX6、NESTIN和SOX1等泛神經化標志物的iNSCs，4周后可分化出成熟神經元，移植到小鼠腦內，無腫瘤形成。

Zhao等和Capetian等[24- 25]將轉錄因子OCT3/4、SOX2、KLF4、L-MYC、LIN28和抑制p53基因表達的干擾RNA轉入健康人的皮膚成纖維細胞內，在含有神經營養因子bFGF、EGF和FGF4的特定神經元培養基中培養，30 d后得到iNSCs。

3.2 間接誘導法

在iPSCs的誘導早期改變誘導環境，使其向NSCs方向發展即可間接獲得iNSCs。Lu等人[26]用攜有Yamanaka四因子的仙臺RNA病毒感染人成纖維細胞，再將其置于含有重組人白血病抑制因子(leukemia inhibitory factor，LIF)(一種與多種細胞的增殖分化相關的多功能細胞因子)、SB431542和CHIR99021小分子的條件培養基中培養，可得到LIF依賴性iNSCs(LIF dependent-iNSCs，LD-iNSCs)。但此細胞的神經分化潛能需要外源性轉錄因子持續存在才可維持，否則長期傳代(> 20代)會逐漸喪失其潛能。

Miura等人[27]利用攜有OCT4、KLF4、SOX2、L-MYC和NANOG這五種基因的慢病毒轉染人子宮內膜的纖維化基質細胞(endometrial fibrotic stromal cells)，并將其置于含有LIF和2i(MEK1/MEK2抑制劑PD0325901和GSK-3β抑制劑CHIR99021)的培養基中繼續培養，可得到人LD-iNSCs，轉化效率大概是0.01%～0.03%。得到的LD-iNSCs可繼續分化為MNs、多巴胺能神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞，并能在體外擴增100代以上。

盡管通過直接或間接誘導將成纖維細胞轉化為iNSCs的方法能增加MNs數量，彌補直接轉化的缺陷，但是實驗過程比較復雜，轉化效率相對較低，應用病毒載體存在安全性問題，因此此類方法仍有待完善。細胞分化中所用小分子物質及其作用的匯總見表1。

4 存在問題及應用前景

自2006年Yamanaka等人[2]首次利用MEFs得到iPSCs以來，細胞重編程技術逐漸興起，各國學者從體細胞來源、轉錄因子、轉入途徑和培養條件等各個方面尋求突破，本文主要介紹了成纖維細胞體外轉化得到MNs的三類方法，其中由成纖維細胞體外得到膽堿能神經元的轉化效率最高可達95%[20]。這些體外得到的MNs不僅能用于運動神經元病的替代治療，還可用于疾病發病機制的研究和藥物篩選。

目前仍然有一些問題需要繼續研究。一是載體的選擇：盡管非基因整合載體沒有基因整合過程，相對安全，但其轉化效率相比于基因整合載體更低(除mRNA外)，需要關注如何提高非基因整合載體的轉化效率問題；二是小分子物質的選擇，雖然小分子物質應用于重編程技術能提高轉化效率，但大多數小分子在重編程過程中的特定影響和作用機制并不清楚，不同的小分子可能會相互影響或者對人體產生毒性，因此在臨床應用上受到限制，應用的最適濃度、暴露時間、協同效應等方面都需要更多的研究?？傊靡殉墒斓捏w細胞體外分化得到運動神經元的工作意義重大且仍需深入。

表1 細胞分化中所用小分子物質及其作用Table 1 Small molecules and their functions during cell differentiation