西北大学领导的研究人员从人类诱导的多能干细胞(iPSC)中创建了第一个高度成熟的神经元。尽管之前的研究人员已经将干细胞分化为神经元，但这些神经元在功能上还不成熟，类似于胚胎或出生后早期阶段的神经元。通过在带有“跳舞分子”的涂层上培养iPSCs衍生的神经元，西北大学的团队创造了表现出更多功能成熟度、增强的突触信号、电活动和分支并提高了存活率的神经元。

这种神经元可以移植到患有脊髓损伤或神经退行性疾病的患者体内，以替换丢失或受损的神经元。通过推进人类神经元的年龄，研究人员可能能够在相对简单且具有成本效益的细胞培养中更好地研究成人发病的疾病。

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由西北大学教授SamuelI.Stupp博士领导的科学家们在一篇题为“移动分子的人工细胞外基质支架增强人类干细胞衍生神经元的成熟”的论文中报告了他们在细胞干细胞方面的工作。”

生成iPSC并促进其分化为神经细胞的能力为研究人员提供了前所未有的进入人类中枢神经系统(CNS)的途径。他们写道：“它使研究神经发育和神经系统疾病的模型得以组装，这使我们对这些过程的理解有了重大进展。”然而，体外培养干细胞衍生的神经元仍然具有挑战性。在细胞自主系统中生长的神经元不会完全成熟，并且它们的长期生存能力会降低。当前干细胞培养技术获得的有限成熟度也降低了它们在神经变性研究中的潜在用途。

“当你拥有一个iPSC并且你设法将其转变为一个神经元时，它将成为一个年轻的神经元，”该研究的共同通讯作者Stupp说。“但是，为了让它在治疗意义上有用，你需要一个成熟的神经元。否则，这就像要求婴儿执行需要成年人才能执行的功能。我们已经证实，涂有纳米纤维的神经元比其他方法更成熟，成熟的神经元能够更好地建立对神经元功能至关重要的突触连接。”Stupp是西北大学材料科学与工程、化学、医学和生物医学工程的董事会教授，他是SimpsonQuerrey生物纳米技术研究所(SQI)及其附属研究中心的创始主任，再生纳米医学中心。Stupp在麦考密克工程学院、温伯格文理学院和范伯格医学院。

为了开发更好地反映神经系统微环境的培养条件，重要的是要考虑细胞外基质(ECM)，这是一种“细胞间支架”，作者称其“在神经元成熟、信号传导和衰老中起着关键作用”。为了从干细胞中产生成熟的神经元，该团队创建了一个基于Stupp去年推出的突破性“跳舞分子”技术的“ECM模拟平台”，其中包括由肽两亲物(PA)形成的超分子纳米纤维支架)分子。Stupp的实验室开发了这种材料作为急性脊髓损伤的潜在治疗方法。在以往的研究中，Stupp发现了如何调整分子的运动，因此它们可以找到并正确地与不断移动的细胞受体结合。通过模仿生物分子的运动，合成材料可以与细胞交流。

Stupp研究的一项关键创新是发现如何控制纳米纤维内超过100,000个分子的集体运动。由于人体内的细胞受体可以快速移动——有时以毫秒为单位——它们成为难以击中的移动目标。“想象一下将一秒分成1,000个时间段，”Stupp说。“这就是受体移动的速度。这些时间尺度如此之快，以至于难以把握。”

对于他们新报告的工作，该团队首先将人类iPSC分化为运动神经元和皮层神经元，然后将它们放置在含有这些快速移动的跳舞分子的合成纳米纤维涂层上。研究人员发现，经过调整以包含运动最多的分子的纳米纤维会导致神经元增强最多。换句话说，在更具活力的涂层(本质上是由许多纳米纤维组成的支架)上培养的神经元也是最成熟的神经元。研究人员报告说：“我们观察到，具有相似纳米纤维结构和化学成分的超分子支架在表现出更强烈的超分子运动时，其生物活性显着增强。”

“我们认为这有效的原因是因为受体在细胞膜上移动得非常快，我们支架的信号分子也移动得非常快，”Stupp说。“他们更有可能同步。如果两个舞者不同步，则配对无效。受体通过非常特定的空间相遇被信号激活。我们快速移动的分子也有可能增强受体运动，这反过来有助于将它们聚集在一起以有益于信号传导。”

研究人员发现，由此产生的富集神经元不仅更加成熟，而且还表现出增强的信号传递能力和更强的分支能力，这是神经元彼此进行突触接触所必需的。作者进一步指出，“我们的结果表明，运动在细胞信号传导中的重要作用超越了单个分子的简单构象变化。”而且，与倾向于聚集在一起的典型干细胞衍生神经元不同，这些神经元不会聚集，因此维护起来不那么困难。“我们在此描述的基于PA的ECM模拟技术相对于目前体外培养干细胞衍生神经元的方法具有生物学和技术优势，”该团队写道。

随着进一步的发展，研究人员认为成熟的神经元可以移植到患者体内，作为治疗脊髓损伤和神经退行性疾病(包括肌萎缩性侧索硬化症(ALS)、帕金森病、阿尔茨海默病或多发性硬化症)的一种有前途的疗法。

“这是我们第一次能够通过将人类iPSC衍生神经元铺在合成基质上来触发它们的高级功能成熟，”西北大学的EvangelosKiskinis博士说，他是该研究的共同通讯作者。“这很重要，因为有许多应用需要研究人员使用纯化的神经元群。大多数基于干细胞的实验室使用与人类干细胞衍生的神经元共培养的小鼠或大鼠神经元。但这不允许科学家研究人类神经元中发生的事情，因为你最终会使用小鼠和人类细胞的混合物。”Kiskinis是西北大学Feinberg医学院神经病学和神经科学助理教授，纽约干细胞基金会-RobertsonInvestigator，LesTurnerALS中心核心教员。

Stupp和Kiskinis相信他们的成熟神经元将深入了解与衰老相关的疾病，并成为在细胞培养物中测试各种药物疗法的更好候选者。使用跳舞的分子，研究人员能够将人类神经元提前到比以前可能的年龄大得多的年龄，使科学家能够研究神经退行性疾病的发作。“众所周知，中枢神经系统中ECM的组成会随着年龄的增长而变化……并且可能会介导与年龄相关的神经变性的各个方面，”科学家们指出。“未来旨在创造模仿老化ECM的人造涂层的努力可能会证明是有用的。”

作为研究的一部分，Kiskinis和他的团队从ALS患者身上提取皮肤细胞，并将它们转化为患者特异性iPSC。然后，他们将这些干细胞分化为运动神经元，这是这种神经退行性疾病的细胞类型。最后，研究人员在新型合成涂层材料上培养神经元，以进一步开发ALS特征。这不仅为Kiskinis提供了了解ALS的新窗口，而且这些“ALS神经元”还可用于测试潜在疗法。

“这是第一次，我们能够在干细胞衍生的ALS患者运动神经元中看到成年发作的神经蛋白聚集，”Kiskinis说。“这对我们来说是一个突破。目前尚不清楚聚集是如何引发疾病的。这是我们希望首次发现的东西。”

研究人员表示：“我们预计PA平台将引起专注于开发基于hiPSC的神经发育、神经和神经退行性疾病模型的干细胞社区的极大兴趣。”“PA超分子材料设计的适应性和固有灵活性可以促进未来其他ECM模拟平台的开发。”

在未来，iPSC衍生的成熟、增强的神经元可能会被移植到脊髓损伤或神经退行性疾病患者体内。例如，医生可以从患有ALS或帕金森病的患者身上提取皮肤细胞，将它们转化为iPSC，然后在涂层上培养这些细胞，以产生健康、功能强大的神经元。

将健康的神经元移植到患者体内可以替代受损或丢失的神经元，从而有可能恢复丢失的认知或感觉。而且，由于初始细胞来自患者，新的iPSC衍生神经元将在基因上与患者匹配，从而消除了排斥的可能性。

“细胞替代疗法对于像ALS这样的疾病来说可能非常具有挑战性，因为脊髓中移植的运动神经元需要将它们的长轴突投射到周围适当的肌肉部位，但对于帕金森病来说可能更直接，”Kiskinis评论道。“无论哪种方式，这项技术都将具有变革性。”

Stupp补充说：“可以从患者身上提取细胞，将它们转化为干细胞，然后将它们分化成不同类型的细胞。但是这些细胞的产量往往很低，实现适当的成熟是一个大问题。我们可以将我们的涂层整合到大规模制造患者来源的神经元中，用于细胞移植疗法，而不会出现免疫排斥反应。”