點(diǎn)亮大腦，這個(gè)在成功學(xué)和管理學(xué)中經(jīng)常提及的事兒，竟然真讓科學(xué)家搞出來了。

埃默里大學(xué)（Emory University School of Medicine）的研究人員開發(fā)了一種名為光化遺傳學(xué)（optochemogenetics）的技術(shù)，通過在大腦細(xì)胞表面創(chuàng)造一種發(fā)光蛋白，成功讓大腦神經(jīng)元發(fā)光。

大腦自形成以來的數(shù)億年中，一直處于漆黑一片的環(huán)境，并未演化出發(fā)光的能力。那么，有個(gè)問題必須回答，這項(xiàng)成果到底有什么用？

實(shí)際上，移植神經(jīng)祖細(xì)胞以恢復(fù)失去的大腦神經(jīng)元功能，是一種很有希望的中風(fēng)患者康復(fù)策略，但是干細(xì)胞移植也面臨著諸多問題，尤其是這些移植的神經(jīng)祖細(xì)胞需要一定的刺激和誘導(dǎo)，才能實(shí)現(xiàn)大腦受損功能的恢復(fù)。

而為了向移植的干細(xì)胞提供這種幫助，研究人員希望通過這種改進(jìn)版的光遺傳學(xué)（optogenetics）技術(shù)，可以不用開顱，以非侵入方式在大腦內(nèi)產(chǎn)生光刺激，從而誘導(dǎo)移植神經(jīng)祖細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化。

在中風(fēng)小鼠實(shí)驗(yàn)中，研究人員通過基因工程技術(shù)，將編碼發(fā)光蛋白和感光蛋白的基因引入誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，培養(yǎng)形成神經(jīng)祖細(xì)胞后植入小鼠大腦，然后通過繞過血腦屏障的鼻內(nèi)遞送熒光素酶底物，激活腦內(nèi)細(xì)胞表面發(fā)光蛋白產(chǎn)生光刺激，從而選擇性地誘導(dǎo)神經(jīng)祖細(xì)胞的增殖、分化。

結(jié)果顯示，與未接受刺激的干細(xì)胞相比，這種名為光化遺傳學(xué)的新型非侵入性技術(shù)能夠讓植入的干細(xì)胞變得更健康，形成更多的神經(jīng)連接，中風(fēng)小鼠的大腦也顯示出最大的恢復(fù)，一些行為和癥狀成功恢復(fù)到中風(fēng)前水平。

（來源：EPFL, Human Brain Project）

這項(xiàng)最新成果于本月初發(fā)表在?Journal of Neuroscience?上。

論文第一作者、埃默里大學(xué)醫(yī)學(xué)院麻醉科終身教授于山平在接受 DeepTech 采訪時(shí)表示，“這項(xiàng)研究對(duì)于目前普遍的在細(xì)胞移植后對(duì)移植細(xì)胞置之不理的做法是一個(gè)突破。”考慮到光在人腦中的非常有限的傳播和光源植入的有創(chuàng)性，光遺傳學(xué)的廣泛臨床應(yīng)用幾乎是不太可能的，而光化遺傳學(xué)這種無創(chuàng)性的持續(xù)干預(yù)療法，可以說是帶有革命性的改進(jìn)，多個(gè)行為學(xué)的結(jié)果也證明，中風(fēng)小鼠的多項(xiàng)指標(biāo)可恢復(fù)到正常水平。

當(dāng)中風(fēng)迎來干細(xì)胞治療

中風(fēng)是影響人類健康的最主要風(fēng)險(xiǎn)因素之一，也是造成當(dāng)今中國(guó)人口死亡的頭號(hào)病因。和心臟病發(fā)作等其它缺血性疾病一樣，腦中風(fēng)是由血管阻塞而阻礙血液流向大腦組織所致。

中風(fēng)和心臟病發(fā)作時(shí)，缺血和缺氧分別會(huì)造成大腦神經(jīng)元和心肌細(xì)胞不可逆轉(zhuǎn)的損傷和死亡。以中風(fēng)為例，往往突然發(fā)作，出現(xiàn)昏倒、半身不遂、口舌歪斜等癥狀，具有極高的病死率和致殘率。盡管人們對(duì)于中風(fēng)發(fā)生機(jī)制的了解越來越深，但目前仍然缺乏有效的治療藥物，逆轉(zhuǎn)缺血性中風(fēng)對(duì)大腦造成的不可逆損傷。

圖 | 中風(fēng)（來源：The Lancet）

近年來，隨著干細(xì)胞技術(shù)的不斷發(fā)展，細(xì)胞移植等再生療法為腦損傷后的組織修復(fù)和功能恢復(fù)提供了一種有前景的策略。

2006 年，日本科學(xué)家山中伸彌（Shinya Yamanaka）成功將成體細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)檎T導(dǎo)多能干細(xì)胞（induced pluripotent stemcells，iPSC），并因此而獲得 2012 年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

由于其易獲得性、分化潛能和臨床相關(guān)性，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞技術(shù)的出現(xiàn)，極大地推動(dòng)了干細(xì)胞和再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展，特別是為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的再生治療帶來了光明前景。在中風(fēng)動(dòng)物模型中，移植由誘導(dǎo)多能干細(xì)胞分化的神經(jīng)祖細(xì)胞，已經(jīng)顯示出具有細(xì)胞替代、營(yíng)養(yǎng)支持增加和功能改善的潛力。

圖 | iPSC 衍生的神經(jīng)元（來源：uq.edu.au）

不過，干細(xì)胞治療并非將干細(xì)胞移植到受損組織，然后靜觀其變那么簡(jiǎn)單。在神經(jīng)細(xì)胞再生治療過程中，移植神經(jīng)祖細(xì)胞的受控生長(zhǎng)和分化，以及與現(xiàn)有神經(jīng)回路的重新連接，仍是十分關(guān)鍵的步驟和挑戰(zhàn)。

就像發(fā)育過程中大腦未成熟的神經(jīng)元一樣，移植到成人大腦中 iPS 細(xì)胞衍生的神經(jīng)祖細(xì)胞，其命運(yùn)和功能表型取決于移植部位的微環(huán)境。神經(jīng)電活動(dòng)和由此產(chǎn)生細(xì)胞信號(hào)，是影響神經(jīng)祖細(xì)胞分化的關(guān)鍵因素。因此，在干細(xì)胞移植后，適當(dāng)?shù)拇碳ず驼T導(dǎo)，對(duì)于神經(jīng)元分化和成熟、細(xì)胞存活，以及神經(jīng)突出的可塑性和特定功能形成至關(guān)重要。

在這項(xiàng)最新研究中，研究人員認(rèn)為，對(duì)移植細(xì)胞的選擇性刺激，可以在中風(fēng)的大腦組織中為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)再生和功能恢復(fù)提供良好的微環(huán)境和條件，以保障和提高細(xì)胞的存活、分化、營(yíng)養(yǎng)因子合成分泌、突觸形成和網(wǎng)絡(luò)連接。

“僅僅把這些細(xì)胞植入受損的大腦，然后不管不問是不夠的。如果我們期望祖細(xì)胞分化成功能性神經(jīng)元，這些細(xì)胞就必須接受模仿它們?cè)诖竽X中的刺激，還需要合適的生長(zhǎng)因子和支持下環(huán)境?！庇谏狡浇淌诒硎?。

大腦說：要有光！

但是，面對(duì)復(fù)雜且精密的大腦神經(jīng)元，想要實(shí)現(xiàn)對(duì)其生長(zhǎng)和分化的精確操控，科學(xué)家們一時(shí)也無從下手。這個(gè)時(shí)候，就需要一種革命性技術(shù)的出現(xiàn)。

2005 年，斯坦福大學(xué) Karl Deisseroth 實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的光遺傳學(xué)（optogenetics）技術(shù)，就徹底改變了神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域。光遺傳學(xué)技術(shù)是通過基因工程技術(shù)將光感蛋白基因轉(zhuǎn)入特定類型的神經(jīng)細(xì)胞，使其在神經(jīng)細(xì)胞表明形成光感離子通道，在不同波長(zhǎng)的光照刺激下，光感離子通道會(huì)對(duì)細(xì)胞膜陽(yáng)離子或陰離子的通過產(chǎn)生選擇性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元選擇性興奮或抑制的目的。

可以說，光遺傳學(xué)技術(shù)使得科學(xué)家們僅通過光照，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元毫秒級(jí)的操控，不僅為深入理解大腦奧秘、神經(jīng)系統(tǒng)疾病機(jī)制提供了革命性工具，也為多種復(fù)雜疾病的治療帶來了光明前景。光遺傳學(xué)技術(shù)也被認(rèn)為是將獲諾獎(jiǎng)的熱門技術(shù)之一。

圖 | 光遺傳學(xué)技術(shù)（來源：Stanford University）

雖然光遺傳學(xué)技術(shù)為在復(fù)雜神經(jīng)回路環(huán)境下精確操縱神經(jīng)活動(dòng)，提供了前所未有的能力，但光照傳遞仍然是限制其在體內(nèi)臨床應(yīng)用的主要障礙。當(dāng)進(jìn)行體內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，如何向大腦深部進(jìn)行光傳遞，就成了擺在科學(xué)家面前的技術(shù)挑戰(zhàn)。

當(dāng)前將光傳輸?shù)酱竽X最常見的解決方案，是通過手術(shù)植入的光纖與外部光源耦合。但是，這些長(zhǎng)期植入的光纖不僅會(huì)帶來感染和組織損傷的風(fēng)險(xiǎn)，而且在自由移動(dòng)的動(dòng)物身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還會(huì)增加不少實(shí)際障礙。由于光線的散射和組織的吸收，外部光線通過大腦的傳輸效率也非常低。事實(shí)上，大多數(shù)從植入的光纖發(fā)出的光，在光纖尖端1毫米內(nèi)就完全衰減。

“光遺傳學(xué)是一種極好的技術(shù)工具，但它在臨床應(yīng)用中存在一些障礙?！庇谏狡浇淌诒硎?，“光纖傳輸具有侵入性，而且光的傳播距離有限，尤其是在更大范圍的人腦內(nèi)?！?/p>

光遺傳學(xué)在心臟等其他組織的應(yīng)用，也面臨著類似的挑戰(zhàn)。雖然在開發(fā)需要更少光照的光遺傳學(xué)工具（即更敏感和紅移的光感蛋白）方面已經(jīng)取得了進(jìn)展，但這種方法在非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物或人類患者身上的可擴(kuò)展性仍不清楚。

為此，埃默里大學(xué)醫(yī)學(xué)院和喬治亞理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種光化遺傳學(xué)技術(shù)，具體而言，他們創(chuàng)造了一種光化學(xué)復(fù)合蛋白（luminopsin），作為激活光感蛋白的替代光源。這種“發(fā)光蛋白”，來源于生活在深海中的藻類和海洋橈腳類動(dòng)物（Gaussia princeps），其能夠在一種化學(xué)底物熒光素CTZ （coelenterazine）存在時(shí)發(fā)出生物熒光。

圖 | 熒光素酶（Gluc）與熒光素（CTZ）結(jié)合發(fā)光，激活光感蛋白（ChR）（來源：Shan Ping Yu）

由于這種發(fā)光蛋白可以通過基因編碼，并與光感蛋白一起以細(xì)胞特有的方式表達(dá)，于是，在這項(xiàng)最新研究中，研究人員將編碼發(fā)光蛋白的基因?qū)胝T導(dǎo)多能干細(xì)胞中，然后培養(yǎng)成神經(jīng)祖細(xì)胞，并植入中風(fēng)一周的小鼠大腦中。

然后，在接下來的兩周內(nèi)，研究人員每天兩次通過鼻內(nèi)給藥的形式，向小鼠大腦提供熒光素 CTZ。于山平指出，經(jīng)鼻給藥繞過了血腦屏障，這種非侵入性的重復(fù)給藥方式在臨床上是可行的。

當(dāng) CTZ 遇到發(fā)光蛋白時(shí)，會(huì)發(fā)出所需的光線。實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)顯示，在 CTZ 給藥后 1 小時(shí)左右，細(xì)胞移植區(qū)域出現(xiàn)生物熒光。

通過讓發(fā)光蛋白和光感蛋白同時(shí)表達(dá)在神經(jīng)元細(xì)胞表面，然后通過外界化學(xué)物質(zhì)的遞送，為大腦內(nèi)部光遺傳學(xué)操控提供所需的光源，這一策略在小鼠實(shí)驗(yàn)中取得了一系列積極作用。

圖 | 移植的干細(xì)胞在刺激后成長(zhǎng)為健康的神經(jīng)元（來源：Ping Yu et al., JNeurosci 2019）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，神經(jīng)祖細(xì)胞生長(zhǎng)和分化的存活率大幅提高，產(chǎn)生更多完整的軸突和神經(jīng)連接，以及對(duì)電刺激更好的反應(yīng)。小鼠受影響的肢體也出現(xiàn)了更好的恢復(fù)，在幼鼠中，可以使中風(fēng)影響肢體的功能恢復(fù)到正常水平，甚至在老年小鼠中，也能使中風(fēng)癥狀部分恢復(fù)。

對(duì)于該技術(shù)的臨床前景時(shí)，于山平表示，由于光化遺傳學(xué)技術(shù)的無創(chuàng)特點(diǎn)，臨床應(yīng)用應(yīng)該有比較廣泛的前景?！拔艺J(rèn)為經(jīng)過必要的毒副作用安全實(shí)驗(yàn)后，任何特殊的細(xì)胞群和腦區(qū)都可以在表達(dá)抑制型或興奮型的光化學(xué)復(fù)合蛋白后，經(jīng)外周給藥的方式進(jìn)行可控的刺激。當(dāng)然，具體療效還要看今后的臨床前研究和臨床實(shí)驗(yàn)的結(jié)果?！?/p>

來源：MIT科技評(píng)論