人皮层前体细胞移植重建长距离下行神经环路对运动皮层损伤的修复作用

Stem cell-based cell replacement holds great promise for many currently incurable neural disorders. However, it remains unknown whether and to what extent the grafts can rebuild the damaged neural circuits, and how this rebuilt can contribute to functional recovery of the behavior as a whole. In previous studies, we have established a standard operating procedure for deriving human neocortex specific neural progenitor cells(hiNPC) from the pluripotent stem cell. These hiNPCs showed great safety, neuronal differentiation and physiology functions both in vitro and in vivo. In this study, based on an established irreversible motor cortex injury animal model, we will continue to use these hiNPCs to answer above questions. After transplantation, by using fluorescence labeling, optogenetics, electrophysiology, c-fos activity tracing and viral trans-synapse tracing method, we will dissect the anatomy projections of the hiNPCs-derived neurons, assess the functional integration capability between the grafts and host, referring to the behavioral recovery of the animals. We will further evaluate the cause-and-effect relation between the neural circuit reconstruction and the behavioral performance, by reversible chemicogenetically inactivating and rehabilitation training. The present research will technically and theoretically provide insight into the regeneration of damaged neocortical neurons, and benefit the clinical translation.

细胞移植重建功能特异性神经环路是实现神经元替代治疗的关键和基础。人脑体积大，新生神经长距离投射能力更为重要，但相关证据缺乏。我们前期建立了体外获得人大脑皮层神经前体细胞（hiNPC）的标准操作流程，这些hiNPC体内和体外都显示出良好的安全性，分化特异性和生理功能。本课题拟基于不可逆运动皮层损伤模型，利用荧光标记、光遗传学、电生理、c-fos活动标记和单级跨突触RV病毒追踪等技术，从细胞区域特异性、解剖学投射联系重建、突触功能整合等方面剖析hiNPC损伤灶周移植对运动损伤的修复作用及其神经环路机制；结合化学遗传学可逆失活和神经康复手段，重点阐明长距离特异性皮层下行投射联系重建对行为功能修复的支撑作用。本研究将为大脑皮层神经元的替代治疗提供理论和技术支持，具有重要临床转化意义。

利用多能干细胞获得神经细胞为目前许多传统药物和手术治疗手段难以治愈的神经功能疾病和障碍的攻克带来了希望。然而相关临床进展缓慢，其中最重要的原因还是其安全性和有效性存疑。异种排斥、人神经细胞成熟历时长等诸多问题阻碍了相关研究的深入开展。针对这些问题，本项目聚焦中枢神经系统运动功能损伤修复，利用机械、血管收缩素或者MCAO等造成的感觉运动皮层或纹状体损伤动物模型，研究人前脑神经前体细胞在成年和损伤大鼠脑内的存活、迁移、分化、成熟，以及与宿主神经系统整合等细胞行为及细胞命运；并结合康复训练，为移植细胞创造一个有利于神经元分化成熟的脑内环境，加速动物的行为学功能修复。主要发现包括，1）在不适用免疫抑制剂的情况下，大鼠作为人神经前体细胞脑内移植的受体动物，可达到移植免疫缺陷鼠的同等效果，小鼠则不行；低增殖性晚代数人神经细胞不仅能够降低其脑内成瘤风险，而且能够显著延长其无免疫抑制情况下的脑内生存时间。2）人神经前体细胞能够在成年和损伤大鼠脑内存活、短暂增殖、广泛迁移、分化成熟，并与宿主神经系统整合。利用伪狂犬病毒逆向跨突触追踪研究发现，人神经细胞移植大脑皮层深部3个月后，分化的人神经元可以接受与损伤灶宿主原位细胞相似的拓扑投射；但耗时过长。3）为了加速人神经细胞的成熟和行使功能，满足中枢神经损伤康复的关键窗口期，我们在移植后结合了跑轮康复训练。结果显示，康复训练可以促进移植细胞的神经元分化及成熟，加速动物行为功能的修复，其原因是联合介入手段创造了一个有利于神经分化和再生的脑内微环境，并激发神经元活动依赖性的神经可塑性发挥作用进一步促进其成熟和整合。本项目顺利完成各项研究目标，取得较为理想的学术成果，达到了本项目立项的主要终点，为大脑损伤的神经元替代治疗的临床转化应用提供了重要的理论和技术框架，对推动神经干细胞用于中枢神经系统的疾病治疗具有积极意义。