在成年脑黑质移植人中脑多巴胺能神经前体细胞重构功能性黑质-纹状体通路

Brain injury or neurodegenerative diseases cause irreversible loss of neurons. As the limited regenerative capacity of adult brain, transplantation of exogenous neuronal cells to replace the function of endogenous diseased cells (cell therapy) is a promising avenue for treating these neurological disorders. For stem cell therapy to succeed in neurological disorders, grafted neuronal progenitor cells should survive and differentiate into specific types of neurons, which then send out axons through the mature CNS environment to find their target. Upon their axons reaching the correct destination, these transplanted neurons should make functional synaptic connections with their designated signaling partners both pre-synaptically and post-synaptically, thus functionally replacing the lost host neurons. However, the specific axonal projections and synaptic connections in the adult brain are established during development by coordination of intrinsic property of the growing neurons and environmental cues. Thus, it is largely unknown what is the specificity of axonal projection and synaptic connection by transplanted neuronal cells in the adult brain. Such specificity is essential for cell therapy to achieve functional restoration and to avoid unwanted consequences. By combination of various technologies including directed neural differentiation, CRISPR/Cas9, Optogenetics, Chemogenetics, and retrograde transsynaptic labeling by rabies virus, we address these questions by transplanting hESC-derived mDA neuron progenitors or forebrain glutamate neuron progenitors into the substantia nigra (SN) of the adult PD mouse brain with the aim to reconstructing the functional SN-striatum circuit.

脑损伤或神经退行性变导致脑内神经元丢失和死亡。由于成年脑内神经元的再生能力有限，通过移植外源神经细胞替代脑内丢失的神经细胞的功能（细胞治疗）是最具潜力的治疗策略之一。细胞治疗要取得成功，移植的神经细胞需要伸出轴突支配宿主靶细胞，同时接受上游神经元的调节，最终重构功能性神经环路。然而成年脑内内源神经投射和突触联系是在发育过程中逐步建立的，外源移植的神经细胞在成年脑环境中轴突靶向以及和宿主神经元突触联系的建立是随机的？还是特异的？移植细胞重构的神经环路是否是功能性的？这些问题都不清楚。本研究在以前工作的基础上，进一步通过人多能干细胞定向分化，CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术，化学遗传学技术，狂犬病病毒介导的逆行示踪技术等方法，以帕金森病的细胞治疗为模型，研究在成年脑内重构功能性黑质-纹状体通路的可行性，探索成年脑内外源移植神经细胞整合入宿主神经环路的原则和机制。

尽管细胞移植可以解救帕金森病 (PD) 模型中的运动缺陷，但移植物是否以及如何在功能上修复成年大脑中受损的神经回路尚不清楚。我们将人多能干细胞（hESCs）来源的中脑多巴胺能(mDA) 神经元或皮质谷氨酸能（Glut）神经元移植到PD小鼠模型的黑质或纹状体中，发现移植细胞可以广泛整合入宿主神经环路。黒质移植的mDA神经元可以特异性投射到其内源靶区域-背侧纹状体，而同样移植到黒质的Glut神经元则主要投射到皮层和嗅球等位置，提示成年脑内移植的神经元可以进行特异性投射，并且这一作用依赖于移植细胞的身份。进一步的研究发现移植神经元可以接受上游宿主神经元的支配，其上游神经元的物理分布在很大程度上取决于移植块的位置，而上游神经支配的抑制性/兴奋性输入的特征由移植神经元的身份决定。移植的hESC来源的mDA神经元具有A9 mDA的特征，并且能够改善PD模型鼠的运动功能。这些结果证明了移植重建回路和内源性神经网络之间细胞类型特异性的突触前和突触后整合的相似性，突出了 hPSCs来源的神经元亚型在成年大脑中进行特定环路修复和功能恢复的能力。我们的研究还发现了6个自闭症基因CHD7内含子突变的家系。我们通过CRISPR/Cas9技术构建了相同位点CHD7内含子突变的hESCs，发现这一突变会导致CHD7基因的异常剪接和表达下降，hESCs神经分化的迟缓，和神经元形态发育的异常，并发现TBR1是潜在介导CHD7内含子突变引起发育迟缓表型的关键基因。