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麻省理工学院的研究人员设计了一种将皮肤细胞直接转化为神经元的方法，从而消除了产生诱导多能干细胞的需要。这种神经元可用于治疗脊髓损伤或ALS等疾病。
将一种细胞类型转化为另一种类型（例如将皮肤细胞转化为神经元）通常需要先将皮肤细胞诱导为“多能”干细胞，然后再分化为神经元。麻省理工学院的研究人员现在开发了一种简化的过程，绕过了干细胞阶段，直接将皮肤细胞转化为神经元。
研究人员使用小鼠细胞，开发了一种高效的转化方法，可以从单个皮肤细胞产生超过10个神经元。如果能在人类细胞中复制这种方法，这种方法将有可能生成大量的运动神经元，可用于治疗脊髓损伤或影响运动能力的疾病患者。
“我们能够达到这样的产量，可以开始探讨这些细胞是否可以作为细胞替代疗法的可行候选者，我们希望它们能够做到。这就是这类重编程技术可以带领我们去的方向。”生物医学工程和化学工程的W. M.凯克职业发展教授凯蒂·加洛韦（Katie Galloway）说。
作为开发这些细胞作为疗法的第一步，研究人员展示了他们可以生成运动神经元，并将它们植入小鼠的大脑中，它们能够与宿主组织整合。
加洛韦是描述新方法的两篇论文的资深作者，这两篇论文今天发表在《细胞系统》上。麻省理工学院研究生南森·王（Nathan Wang）是这两篇论文的第一作者。
从皮肤到神经元
大约20年前，日本科学家展示了通过向皮肤细胞传递四种转录因子，可以诱导它们成为诱导多能干细胞（iPSCs）。与胚胎干细胞类似，iPSCs可以分化为许多其他细胞类型。这种技术效果很好，但需要几周时间，而且许多细胞最终没有完全转化为成熟细胞类型。
“重编程的一个挑战往往是细胞会停留在中间状态。”加洛韦说，“因此，我们使用直接转化，而不是经过iPSC中间体，我们直接从体细胞转化为运动神经元。”
加洛韦的研究小组和其他人之前已经展示了这种直接转化，但产量非常低——不到1%。在加洛韦之前的工作中，她使用了六种转录因子加上两种刺激细胞增殖的其他蛋白。这八个基因中的每一个都是通过单独的病毒载体传递的，这使得很难确保每个基因在每个细胞中以正确的水平表达。
在新的《细胞系统》论文的第一篇中，加洛韦和她的学生们报告了一种简化过程，可以用三种转录因子加上两个驱动细胞进入高度增殖状态的基因，将皮肤细胞转化为运动神经元。
使用小鼠细胞，研究人员从最初的六种转录因子开始，逐一尝试去除它们，直到找到三种组合——NGN2、ISL1和LHX3——能够成功完成向神经元的转化。
一旦基因数量减少到三种，研究人员就可以使用单一的改良病毒来传递所有三个基因，从而确保每个细胞以正确的水平表达每个基因。
研究人员还使用另一种病毒传递编码p53DD和HRAS突变版本的基因。这些基因驱动皮肤细胞在开始转化为神经元之前多次分裂，从而大大提高了神经元的产量，约为1100%。
“如果你在非增殖细胞中以非常高的水平表达转录因子，重编程率会很低，但高度增殖的细胞更具接受性。就好像它们已经被激活用于转化，然后它们对转录因子的水平变得更加接受。”加洛韦说。
研究人员还开发了一种略有不同的转录因子组合，允许他们使用人类细胞进行相同的直接转化，但效率较低——研究人员估计在10%到30%之间。这个过程大约需要五周时间，略快于先将细胞转化为iPSCs，然后再转化为神经元。
植入细胞
一旦研究人员确定了最佳的基因传递组合，他们就开始研究最佳的传递方式，这是第二篇《细胞系统》论文的重点。
他们尝试了三种不同的传递病毒，发现逆转录病毒实现了最高的转化效率。降低培养皿中细胞的密度也有助于提高运动神经元的整体产量。这种优化的过程在小鼠细胞中大约需要两周时间，产量超过1000%。
与波士顿大学的同事合作，研究人员测试了这些运动神经元是否可以成功植入小鼠体内。他们将细胞送入大脑的一个区域——纹状体，该区域涉及运动控制和其他功能。
两周后，研究人员发现许多神经元存活，并似乎正在与其他脑细胞形成连接。在培养皿中生长时，这些细胞显示出可测量的电活动和钙信号，表明它们能够与其他神经元进行通信。研究人员现在希望探索将这些神经元植入脊髓的可能性。
麻省理工学院团队还希望提高人类细胞转化的效率，这将允许生成大量可用于治疗脊髓损伤或影响运动控制的疾病的神经元，例如肌萎缩侧索硬化症（ALS）。使用从iPSCs衍生的神经元治疗ALS的临床试验正在进行中，但增加可用于此类治疗的细胞数量可以使它们更容易在人类中进行测试和开发，以便更广泛地使用，加洛韦说。
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