2020
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彭勃课题组首次在全CNS尺度上实现异源性小胶质细胞替换/移植

日期:2020-08-11 点击数: 来源:信息中心

小胶质细胞是中枢神经系统(CNS)内重要的免疫细胞,携带有基因突变的小胶质细胞参与了多种神经退行性病变的发生和发展。常规的基因治疗思路无法用于小胶质细胞,主要原因是由于:1.常用的非整合类病毒载体(如AAV)无法感染小胶质细胞;2.少数的整合类病毒载体(如lentivirus)虽然能够感染小胶质细胞,但只能影响注射位点附近的局部范围,无法在全脑尺度上对小胶质细胞进行操控。因此,如何在全脑范围内进行操控成为限制小胶质细胞基因治疗的瓶颈。研究人员提出可以通过细胞移植将外源性细胞替换原生小胶质细胞的设想,然而其替换效率极低,或宿主必须为特定的转基因动物(且必须在发育早期完成替换),无法真正运用于医疗实践。2018年2月,彭勃课题组在Nature Neuroscience和Cell Discovery发表两篇通讯作者论文阐明中枢神经系统内小胶质细胞再殖(microglia repopulation)的起源,并发现小胶质细胞具有惊人的自我更新潜能1, 2。该团队进一步以再殖现象为基础,开发了三种用外源性细胞替换原生小胶质细胞的移植方案,在全CNS范围内实现了高效地细胞替换。相关论文于2020年8月11日刊发在Cell Reports,标题为Efficient strategies for microglia replacement in the central nervous system3


1 论文首页。

小胶质细胞替换:领域内的难题

研究人员发现通过传统骨髓移植(traditional bone marrow transplantation, tBMT)方法,外源性骨髓细胞可以进入中枢神经系统并分化成小胶质细胞样细胞(microglia-like cell)。然而,其细胞替换的效率很低,仅有约2%的小胶质细胞被外源性细胞替换(图2),无法达到满足细胞治疗的目的。此外,通过颅内注射的方式向脑内移植小胶质细胞(traditional microglia transplantation, tMT),仅有极少数的小胶质细胞能够整合入脑内,仅占脑内细胞总数的0.03%(图2)。近年来,国际上有多个课题组通过类似的思路实现了小胶质细胞移植4-7:在发育早期(P0~P1)将外源性小胶质细胞移植入免疫缺陷的小鼠。但是该类方法依赖于免疫缺陷型的移植受体小鼠,且移植必须在发育早期完成(小胶质细胞未在脑内完成定殖时),无法用于疾病治疗。因此,如何能在成年小鼠脑内高效地替换小胶质细胞成为领域内关注的重点问题。

2 传统的骨髓移植(tBMT)和小胶质细胞移植(tMT)无法实现高效的小胶质细胞替换/移植。彭勃团队开发的mrBMT和mrPB可分别将骨髓和外周血细胞分化为小胶质细胞样细胞,并在全CNS范围内替换原生小胶质细胞。此外,通过mrMT,可实现在局部脑区的小胶质细胞替换。

三种全新的小胶质细胞高效替换方案

复旦大学医学院十大娱乐老平台的彭勃教授团队开发了三种不同的小胶质细胞替换方案。其利用药物特异性抑制集落刺激因子1受体(CSF1R),高效清除CNS内的小胶质细胞,同时不引起副作用。其后再进行骨髓移植。外源性的骨髓细胞可进入脑内并分化成小胶质细胞样细胞,替换效率超92%。同样,几乎所有的视网膜和脊髓的小胶质细胞被外源性细胞所替换。该方案命名为mrBMT(microglia replacement by bone marrow transplantation,图2)。虽然mrBMT可以以极高的效率在全CNS范围内替换小胶质细胞,但使用的供体细胞为骨髓细胞,捐献来源较为有限,将影响其在未来疾病治疗上的普及。因此,彭勃团队进一步开发了新的小胶质细胞替换方案,能将血液细胞诱导分化为小胶质细胞样细胞,并高效替换CNS的原生小胶质细胞(替换效率>80%)。该方案命名为mrPB(microglia replacement by peripheral blood,图2)。然而,mrBMT和mrPB细胞更多地保留有外周巨噬细胞的特征,与CNS的小胶质细胞存在一定差异。此外,在某些特定的情况下,需要替换特定脑区的小胶质细胞,而不影响其他脑区。于是彭勃团队进一步开发了第三种方案mrMT(microglia replacement by microglia transplantation)。该方案可将外源小胶质细胞高效替换特定局部脑区的原生小胶质细胞(图2),同时移植的细胞保留CNS小胶质细胞的特征(图3)。

3 单细胞测序结果表明mrBMT和mrPB细胞呈现出巨噬细胞的转录组学特征,而mrMT细胞则呈现出小胶质细胞的转录组学特征,并且与正常小胶质细胞(naïve)高度相似。

因此,彭勃团队开发了三种全新的小胶质细胞替换方案,首次在全CNS范围或特定脑区实现高效替换小胶质细胞。该方案为神经退行性病变提供了全新的治疗思路和实现方案。三种方案各自的优势和适用场景将给未来的临床治疗提供多种选择。同时,该方案也是首次在中枢神经系统内实现大规模的细胞移植。该研究工作主要由彭勃教授团队的徐臻博士(中科院深圳先进院)和上海交通大学医学院附属精神卫生中心饶艳霞博士共同完成,两人为同等贡献的共同第一作者。彭勃团队的黄玉斌博士、周添博士、冯睿博士、熊珊珊、周欣博士和李小钰作为共同作者对该研究做出重要贡献。上海交通大学附属精神卫生中心袁逖飞教授,复旦大学附属华山医院毛颖教授,深圳爱尔眼科医院秦波教授、秦珊医生和卢怡洁医生亦有重要贡献。该研究主要得到了国家自然科学基金优秀青年基金项目、国家重点研发计划和深圳市知识创新计划的支持。

彭勃课题组目前有青年副研究员(副教授)、博士后、博士生和硕士生的岗位空缺,欢迎对科研充满热情且胸怀学术理想的科研人员/学生加入。申请人请将一份详细的个人完整简历(中英文皆可)通过电子邮件发送至peng@fudan.edu.cn,邮件标题请注明姓名+应聘职位。青年副研究员(副教授)和博士后应聘者请提供两个推荐人的联系方式。

相关论文信息:https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(20)31026-3


附:彭勃课题组近三年发表的代表性论文

(1) Xu Z.#, Rao Y.#, Huang Y., Zhou T., Feng R., Xiong S., Yuan T.F., Qin S., Lu Y., Zhou X., Li X., Qin B., Mao Y., and Peng B.*(2020). Efficient strategies for microglia replacement in the central nervous system. Cell Reports 32, 108041.

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(20)31026-3

(2) Huang Y.#, Xu, Z.#, Xiong S., Sun F., Qin G., Hu G., Wang J., Zhao L., Liang Y.-X., Wu T., Lu Z., Humayun M.S., So K.-F., Pan Y., Li N., Yuan T.-F.*, Rao Y.* and Peng B.*(2018). Repopulated microglia are solely derived from the proliferation of residual microglia after acute depletion. Nature Neuroscience 21, 530-540.

https://www.nature.com/articles/s41593-018-0090-8

(3) Huang Y.#, Xu Z.#, XiongS., Qin G., Sun F., Yang J., Yuan T.F., Zhao L., Wang K., Liang Y.X., Fu L., Wu T., Lu Z., So K.F., Rao Y.* and Peng B.*(2018). Dual origins of retinal microglia in the model of microglia repopulation. Cell Discovery 4, 9.

https://www.nature.com/articles/s41421-018-0011-8

主要参考文献

1. Huang, Y., et al. Dual extra-retinal origins of microglia in the model of retinal microglia repopulation. Cell Discov 4, 9 (2018).

2. Huang, Y., et al. Repopulated microglia are solely derived from the proliferation of residual microglia after acute depletion. Nature neuroscience 21, 530-540 (2018).

3. Xu, Z., et al. Efficient Strategies for Microglia Replacement in the Central Nervous System. Cell reports 32(2020).

4. Mancuso, R., et al. Stem-cell-derived human microglia transplanted in mouse brain to study human disease. Nature neuroscience 22, 2111-2116 (2019).

5. Hasselmann, J., et al. Development of a Chimeric Model to Study and Manipulate Human Microglia In Vivo. Neuron (2019).

6. Xu, R., et al. Human iPSC-derived mature microglia retain their identity and functionally integrate in the chimeric mouse brain. Nature communications 11, 1577 (2020).

7. Bennett, F.C., et al. A Combination of Ontogeny and CNS Environment Establishes Microglial Identity. Neuron 98, 1170-1183 e1178 (2018).

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