光遗传学刺激促进iPSC神经分化和移植后的功能性整合研究

Current obstacles that hinder the application of induced pluripotent stem cells (iPSC) into Alzheimer’s disease therapy primarily include: (1) the rate of neuronal differentiation of iPSC is very low; (2) whether iPSC-derived neurons could integrate into the host circuitry after transplantation into AD models. Optogenetics, the use of genetic engineering and optics to selectively control nerve cell activity, can also be used to manipulate activity of stem cells and optimize therapeutic utilization for AD. Based on previous findings and our preliminary data, we proposed to use optogenetic stimulation to facilitate and improve neuronal differentiation of iPSC. We will induce iPSC into cholinergic neural progenitor cells optogenetically and transplant them into hippocampus of a mouse AD model. Furthermore, optogenetic method will be applied to test for functional integration of iPSC-derived neurons into the endogenous circuitry after transplantation. We will conduct a set of in vitro and in vivo experiments on mouse iPSC and AD model to verify our hypothesis. By cooperating optogenetics into iPSC research, our goal is to provide new therapeutic mechanism and cue to promote translation of iPSC-based AD therapy.

诱导多能干细胞(iPSC)在阿尔茨海默病(AD)的细胞治疗方面有广阔的前景，但是目前面临神经分化效率过低和移植后能否整合入宿主神经网络的问题。光遗传学是精确控制特定神经元活动的颠覆性技术，可以用来靶向性地操控干细胞的活动。本项目依据既往工作基础，开创性地提出应用光遗传学刺激方法提高iPSC的神经分化效率和移植可塑性，研究和证明光刺激能促进小鼠iPSC向神经元样细胞分化，移植到AD模型小鼠海马部位后，可进一步分化为与局部微环境相匹配的胆碱能和γ-氨基丁酸能神经元，整合入宿主神经网络发挥治疗作用，最后用光遗传学技术鉴定这种功能性整合关系。目标是证明iPSC与光遗传学技术相结合，能充分发挥二者在神经再生方面的独特优势，推动AD的干细胞治疗尽快向临床转化。

将诱导多能干细胞分化为神经细胞、移植到脑内，是阿尔茨海默病(AD)等神经疾病的未来治疗策略。然而，这个研究方向目前面临的挑战是：干细胞的神经分化和移植后的存活能力不足。本项目针对这个挑战，在干细胞移植治疗AD方面提出了初步的解决方案。我们采用光遗传学刺激方法调控神经干细胞的增殖和分化能力，采用靶向性药物改善AD模型脑内的病理性微环境，以促进移植干细胞的存活和功能性整合，最终达到提高AD治疗效果的目的。首先体外培养干细胞iPSC和神经干细胞，鉴定它们分化为神经元的能力，并且研究光刺激对其神经分化效率的影响。将神经干细胞前体移植到阿尔茨海默病（AD）模型小鼠APP/PS1的海马区域，结合光照或者天冬酰胺内肽酶的抑制剂药物，提高干细胞移植存活率和分化能力。细胞治疗2-3个月后，应用神经行为学等药理学方法和解剖病理学实验方法，判定细胞治疗对AD的改善作用效果。结果发现光遗传学刺激一方面抑制了iPSC的增殖能力，另一方面会提高iPSC神经分化效率。但是，移植到阿尔茨海默病模型小鼠脑内后，光遗传学刺激对干细胞的神经分化没有显著提高，同行专家也报道了同样的结果。我们决定采取新策略来促进移植细胞的存活，应用天冬酰胺内肽酶的抑制药物优化AD模型小鼠脑内的病理微环境，创造有利于移植细胞存活的条件，然后再移植NCS到小鼠脑内，取得了预期的效果。该项研究的科学意义是，证明通过改善脑内病理微环境和调控移植细胞的生长，可以显著提高干细胞治疗AD的效果，为优化阿尔茨海默病的细胞治疗提供了新思路。