细胞替代治疗在阿尔兹海默病非人灵长类动物模型中的应用研究

Alzheimer’s disease (AD) is one of the most devastating neurodegenerative disorder and affects up to one-third of individuals who reach eighty years of age, which is currently no effective treatment available to cure or prevent. The embryonic stem cell (ESC)-based cell replacement strategies of neural repair have garnered much attention over the past decade, which may have stimulated new prospective for the development of AD treatment. It is well known that basal forebrain cholinergic neurons (BFCNs) are associated with the processing of information related to cognitive function, and the progressive degeneration of basal forebrain cholinergic system characterized by a reduction in acetylcholine synthesis contributes substantially to the gradually cognitive decline of AD patients. Recently, we confirmed that ESC-derived BFCNs ameliorate the cognitive symptoms associated with AD in mouse models, suggesting a promising perspective of ESC-derived BFCNs in the development of stem cell-based therapies for treatment of AD. Here we propose to refine our neural differentiation approaches to stably and effectively generate BFCNs from human ESCs. By collaborating with our partner, we will explore and establish strategies to generate cynomolgus monkey (Macaca fascicularis) model to reproduce the clinical and pathological hallmarks of AD. Then, we will transplant human ESC-derived BFCN progenitors into the basal forebrain of AD cynomolgus monkey to test if BFCNs can restore the cognitive deficits of AD monkeys. Our study will explore ESC-based cell replacement therapies in non-human primates, and shed light on its possible applications for AD, which hopefully could contribute to the development of human ESC-based cell replacement strategies for the treatment of AD.

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是严重危害人类健康的重大疾病，目前尚缺乏有效的治疗手段，而基于干细胞的细胞替代治疗有望为AD的治疗策略带来新的突破。与人类认知活动密切相关的基底前脑胆碱能神经元（Basal forebrain cholinergic neuron, BFCN）的功能异常和丢失是导致AD病人认知功能障碍的主要原因，我们前期的工作也证实胚胎干细胞来源的BFCN可以修复啮齿类AD模型动物的认知功能损伤。在此基础上，本项目旨在高效稳定地从人胚胎干细胞获取BFCN，完善并优化食蟹猴AD模型，探索利用BFCN的细胞替代治疗在AD食蟹猴模型中的应用，考察人源BFCN对AD食蟹猴认知能力的修复，在非人灵长类动物中对基于人胚胎干细胞的AD细胞替代治疗进行深入研究。本项目的完成将有助于探讨AD细胞替代治疗的可行性，为基于干细胞的AD细胞替代治疗提供理论依据。

阿尔兹海默症（Alzheimer’s disease, AD）是一种最常见的的神经退行性疾病，在老年人群中高发，迄今没有有效的治疗手段。AD病因复杂，发病机制不清楚，给AD疾病模型的建立造成了很大困难。目前，应用最广泛的小鼠模型不能完整地模拟AD的发病；非人灵长类在模拟AD发病方面占据优势，但是非人灵长类模型还没有建立。合适疾病模型的缺乏在很大程度上阻碍了后续对AD治疗的探索，比如在AD治疗方面具有潜能的细胞替代疗法。目前，AD细胞替代治疗的研究进展非常有限，并且在非人灵长类动物中完全没有展开。理想疾病模型的建立和治疗策略研发的停滞不前是导致AD的基础和临床研究陷入瓶颈期的关键原因。本项目中，我们聚焦在利用非人灵长类动物建立AD疾病模型和探索AD细胞替代治疗新疗法这两个AD领域亟需解决的关键科学问题。在项目的资助下，这两个方面的研究都取得了实质性的突破。首先，我们建立了利用人源β-淀粉样蛋白寡聚体（Amyloid-β1-42 oligomers，AβO）在非人灵长类动物中建模的方法。将合成的可溶性AβO注射到食蟹猴的大脑实质中，可以快速地诱发形成一系列AD病人发病早期出现的典型神经病理特征：大量的Aβ斑、明显的Tau神经纤维缠结、严重的神经炎症和选择性神经元退行性病变以及突触丢失等。最有意义的是，这是首次在模型动物中同时检测到Aβ斑和Tau缠结。这些结果证明我们在非人灵长类动物中完整地再现了AD的发病。在AD细胞替代治疗的研究上，我们把人源神经干细胞移植到食蟹猴的与认知功能相关的脑区，证明其在食蟹猴脑内主要分化为成熟的神经元。更重要的是，我们首创猴脑脑片电生理技术，在猴脑中记录到移植神经元动作电位和突触后电流的发放，提示人源神经元可以功能性整合到宿主神经环路中，并可能通过整合对受损的AD神经网络进行修复，从而在非人灵长类动物中验证了人源神经干细胞用于AD细胞替代治疗的可行性。本项目的研究成果将切实推进AD非人灵长类大动物模型的建立，从而为探索AD干细胞替代治疗提供理想的动物模型，并最终推动AD的基础和临床研究。