复旦大学脑院熊曼课题组利用人源纹状体GABA神经元高效修复缺氧缺血损伤大脑基底神经节环路

新生儿缺氧缺血性脑病(hypoxic-ischemic encephalopathy, HIE)是指在围产期由于窒息等多种原因导致新生儿脑缺氧缺血性损伤。HIE在我国活产儿中的发病率大约为3-6‰，是导致新生儿神经系统损伤甚至死亡的主要原因之一，每年我国大约有5-10万新生儿深受HIE的困扰，严重影响患儿的生存质量，给社会和家庭带来沉重负担。前期，熊曼研究员参与周文浩教授团队开展的亚低温治疗HIE的基础与临床转化研究证明，亚低温可降低30%HIE患儿的致残风险。然而，临床上仍有大量HIE患儿因错过6小时治疗时间窗或重度HIE（大约30%）导致亚低温治疗无效，针对这部分患儿目前无有效救治措施，需要开发新的治疗策略。

2022年12月15日，复旦大学脑科学前沿科学中心熊曼研究员与中科院脑智卓越中心陈跃军教授、附属儿科医院周文浩教授合作的最新研究成果“Functional reconstruction of basal ganglia neural circuit by human stem cell derived striatal neurons in hypoxic-ischemic injured brain”在国际神经科学领域权威学术期刊BRAIN 发表，该研究首次报道了将人多能干细胞来源命运决定的纹状体神经前体细胞移植到缺氧缺血损伤未成年小鼠脑纹状体内可在结构和功能上重构并修复HIE脑内受损的基底神经节环路，并长期改善HIE模型小鼠的运动功能障碍。

大量HIE脑损伤患儿（尤其是中重度HIE）临床影像学数据显示，患儿的运动功能受损的严重程度与其基底神经节损伤的程度高度相关。基底神经节主要由纹状体、苍白球、黑质和下丘脑等核团组成，负责调控机体的自主运动。而纹状体作为HIE脑损伤中基底神经节环路受损的关键核团，不仅接受上游皮层的神经输入，也接受来自于黑质的神经输入，这些输入信号经纹状体中的GABA中型多棘神经元(medium spiny neuron，MSN，约占纹状体细胞的95%以上)投射至苍白球和黑质脑区构成的直接通路和间接通路进行神经输出，最终汇入下丘脑进行信息整合后，向大脑运动皮层发出指令，从而调控机体的运动功能（如下图）。

Fig.1(引自Neuron. 2008 November 26; 60(4): 543–554)

针对HIE脑损伤特征，研究团队将人胚胎干细胞定向分化为命运决定的纹状体神经前体细胞（Striatal Neural Progenitors, SNPs），并结合Cripr/Cas9基因编辑技术、伪狂犬病毒环路示踪技术和光/化学遗传学技术，深入研究了HIE脑损伤后移植SNPs对受损基底神经节环路，尤其是纹状体-苍白球、纹状体-黑质通路的修复作用。研究结果显示，移植到小鼠纹状体内的人SNPs可在HIE损伤脑内存活，大量分化为纹状体GABA投射能神经元(DARPP32+-Ctip2+阳性, Fig2. A)，并显著降低HIE损伤引起的脑面积丢失(与注射人工脑脊液ACSF组相比，Fig2. B)；进一步使用人神经细胞特异性标记物hNCAM染色显示，细胞移植后1-2个月即可长出轴突，特异投射至宿主大脑的苍白球和黑质脑区（Fig2. C），重构基底神经节环路的直接通路和间接通路，且移植细胞的神经末梢可与宿主细胞形成突触结构（Fig2. D）。

Fig. 2 移植细胞在纹状体内分化及环路重建

为了探索外源移植的人纹状体GABA投射能神经元是否可在功能上修复HIE大脑受损的基底神经节环路，研究者使用膜片钳电生理结合光遗传学技术记录移植细胞是否在功能上整合入宿主的基底神经节环路。研究结果显示，移植细胞不仅可接收近端宿主纹状体(Fig3. A)和皮层细胞(Fig3. B)的神经输入性调控，且移植细胞可调控宿主纹状体(Fig3. C)及远端投射靶标—黑质区域(Fig3. D)神经元的活性，从而证明了移植细胞可在功能上整合入宿主基底神经节环路的上下游通路。

Fig3. 移植细胞与宿主神经细胞的功能整合

为进一步研究移植细胞是否能长期改善HIE模型小鼠的运动功能障碍，且这种改善作用是否与移植细胞的类型和移植块的功能输出具有因果关系。研究团队选择移植GABA中间能神经元作为对照，结果证明只有移植纹状体GABA投射能神经元才能长期改善动物的运动功能障碍，且通过腹腔注射CNO抑制移植细胞的活性， HIE模型动物的行为学恢复被显著抑制，从而证明了HIE模型动物的长期行为学恢复与移植块功能存在因果关系。该研究首次解析了干细胞治疗HIE的作用效果和环路机制，为新生儿缺氧缺血性脑损伤这一临床重症疾病的干细胞治疗提供了重要的前期数据和合适的细胞类型。

复旦大学姬小利博士，中科院脑智卓越中心周盈盈博士为论文共同第一作者。复旦大学脑科学研究院熊曼研究员，长期从事脑疾病的干细胞治疗与发育性脑疾病的机制研究，在Cell Stem Cell（3篇）、Cell Reports、JCI、iScience 等多个国际权威期刊发表多篇论文。熊曼研究组因工作需要，拟招聘博士后1-2名、研究助理1名，请感兴趣的同学将简历发送至: man_xiong@hotmail.com。

原文链接：

https://doi.org/10.1093/brain/awac358

转自：“iNature”微信公众号

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