NeuroD1重编程出新神经元，帮助大脑视觉皮层修复

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撰文 | xiao xia

编辑 | 王多鱼

排版 | 水成文

中风、阿尔兹海默症、帕金森病以及亨廷顿舞蹈症，都会导致大量神经元丢失和胶质增生，影响视力和运动功能。神经元不会自行再生，大脑有时可以重塑其神经回路，足以在中风后恢复一些视觉功能，但这个过程很慢。如果能体内诱导神经元再生，无疑给这些重大疾病的治疗带来实质性突破。

干细胞疗法被视为一种有希望的策略，但是尚无法解决移植排斥反应和移植细胞致瘤性。

暨南大学陈功教授等人的一些列研究表明，可以通过表达转录因子NeuroD1，将大脑内源性星形胶质细胞直接转化为神经元。然而，这些重编程的神经元是否经历了正常发育，是否整合到现有的神经回路中，是否获得了该回路特有的功能特性尚不清楚。

近日，美国普渡大学的研究人员在 Frontiers in Cell and Developmental Biology 期刊发表了题为：Restoration of Visual Function and Cortical Connectivity After Ischemic Injury Through NeuroD1-Mediated Gene Therapy 的研究论文。

该研究利用脑缺血性小鼠模型研究了基因疗法对视觉皮层回路整合和功能恢复的影响，发现NeuroD1重编程的新神经元整合到皮质回路中，并获得直接的视觉功能，帮助大脑自我愈合。此外，重编程神经元表现出方向选择性和功能连接的成熟。因此，NeuroD1疗法为恢复脑中风后的视觉与运动功能开辟了新的途径。

为了证明体内直接重编程对皮质缺血性损伤后视觉功能的影响，研究团队对小鼠注射了内皮素1，这会导致神经元丢失和胶质瘢痕形成。瘢痕形成后，他们使用腺相关病毒（AAV9）将Cre依赖性重编程基因NeuroD1与GFAP启动子下的Cre重组酶基因一起转染给胶质细胞。结果显示，重编程的新神经元逐渐表达神经元标志物，并逐渐失去胶质细胞标志物。

接下来，研究团队通过对皮层神经元标志物Tbr1、浅层标志物Cux1和深层标志物Ctip2进行免疫染色，验证重编程神经元是否获得皮层神经元身份，以及它们是否形成层状结构。在病毒注射后3周和6周，超过50%的重编程神经元细胞表达Tbr1，表明其皮层神经元特性。浅层和深层的重编程神经元分别对Cux1和Ctip2呈免疫阳性。这些结果表明，NeuroD1有效地将胶质细胞转化为神经元，神经元获得皮质神经元身份并形成皮质层状结构，从而实现功能回路整合。

为了评估重编程后初级视皮层的功能恢复，研究团队使用细胞外记录技术记录清醒小鼠的视觉诱发电位（VEPs）。脑缺血损伤后，与转染对照病毒相比，转染了Neuron D1的小鼠半球的VEP振幅明显升高。除了同步的群体活动外，他们还检查了单个神经元的视觉反应，发现转染了NeuroD1的小鼠半球显示出更高的峰值放电。这些结果表明体内直接重编程可恢复视觉反应。

光遗传辅助的环路图谱分析技术（CRACM）可以测量特定基因标记的长程投射和细胞间连接的强度。为了直接测量重编程神经元的回路连通性，研究团队在离体急性脑片中使用了CRACM技术。结果显示，重编程神经元显示出强大的光诱导兴奋性突触后电流（EPSC），相邻神经元也收到了相当多的兴奋性输入。另外，重编程神经元随着时间的推移获得定向和方向选择性反应，表明它们的功能整合到了局部视觉皮层回路中。

综上所述，这项工作证明了NeuroD1将胶质细胞直接重编程为神经元且促进了它们的神经回路整合，并导致缺血性损伤后的视觉功能恢复。因此，基于NeuroD1的体内直接重编程技术是一种很有前途的修复脑损伤的新型基因疗法。

据悉，该工作由普渡大学 Alexander A. Chubykin 团队完成，陈功教授团队为这项工作提供了质粒和技术指导，以及少许辅助实验。该工作也在一定程度上澄清了关于NeuroD1介导的胶质细胞向神经元转分化的研究争议。

论文链接：

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcell.2021.720078/full