张素春教授Cell Stem Cell：当细胞疗法遇上CRISPR

　　来自威斯康星大学麦迪逊分校的神经科学家们将一种遗传开关插入到了神经细胞中，使得患者可以通过服用不影响任何其他细胞的设计药物来改变它们的活性。正在研究的细胞是可以生成神经递质多巴胺的神经元，其发生缺陷是广泛运动障碍帕金森病的罪魁祸首。

　　

生物通报道  来自威斯康星大学麦迪逊分校的神经科学家们将一种遗传开关插入到了神经细胞中，使得患者可以通过服用不影响任何其他细胞的设计药物来改变它们的活性。正在研究的细胞是可以生成神经递质多巴胺的神经元，其发生缺陷是广泛运动障碍帕金森病的罪魁祸首。

多巴胺是对协调运动至关重要的一种大脑化学物质。帕金森病标准疗法：多巴胺替代治疗往往会随着时间的推移丧失效应，随着干细胞技术的出现，一些生物医学研究人员已在探索在实验室中生成可用于移植的多巴胺生成细胞这一想法。尽管一些医生已对多巴胺细胞移植进行了测试，由于移植细胞生成多巴胺时不是过多就是太少这种疗法经常失败。

在发表于4月28日《细胞干细胞》（Cell Stem Cell）杂志上的一项研究中，威斯康星大学麦迪逊分校Waisman中心的张素春（Su-Chun Zhang）教授构建出了两种相关的细胞类型。当他们检测设计药物时，一种类型的细胞提高了多巴胺生成；另一种则终止了多巴胺生成。

张素春和共同第一作者Yuejun Chen及Man Xiong用人类胚胎干细胞培育出了这些特化神经细胞。目的在于显示小鼠帕金森症状何时减轻的行为测试，证实了“上调”和“下调”开关如预期那样起作用。这些结果表明，有一天或许有可能重新采用多巴胺神经元来帮助帕金森病患者。

但张素春说，移植细胞响应调控药物的能力可能具有更广泛的应用。“小鼠帕金森病模型已很好地建立起来——你可以测量它们的行为结果。如果小鼠得到恢复，一定是由于移植细胞分泌多巴胺所致。”

张素春说，细胞往往发挥非常特异的作用，能够用一些良性药物来控制它们可以找到其他的用途。例如，“在糖尿病中，或许可以移植分泌胰岛素的β细胞，采用一种设计药物患者可以控制胰岛素分泌。”

当前的进展是采用一种新型的、高度精确的“基因编辑”技术 CRISPR建立起来的。这一技术替代了用像文字处理程序中“查找与替换”命令相似的东西移除基因的这种漫无目标的方法，CRISPR只在期望的位置完成插入。

细胞疗法是胚胎干细胞和成体组织衍生干细胞最被吹捧的潜在利益之一，然而随着这一技术不断地完善及更加安全化却少有应用进入临床。对照是问题的一部分，张素春说：“如果我们打算使用细胞疗法，我们必须知道移植细胞将会做什么。如果它的活性不正常，我们或许会想激活它，或者我们有可能会需要减缓或终止它。”

张素春说，这一小鼠研究显示出两种能力，他预计这些细胞还将会被改造为包含一些在两个方向起作用的开关。

在开始首个临床试验之前还要完成一些重要的步骤。它们包括：

证实遗传工程干细胞，以及用于实现控制目的的药物的安全性。

选择具有最大潜力自然地神经控制多巴胺分泌的移植物。

确保神经元到达需要多巴胺来控制运动的大脑位点。

通过非人类灵长类动物研究，“我们需要证实这不仅是一种小鼠现象。它真的能够发挥作用来缓解帕金森病症状。”

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张素春补充说，这样的研究已经在进行之中。

尽管存在这些障碍，张素春认为这是他大量科学创举中最令人兴奋的研究发现。“在工程细胞移植到小鼠大脑中后，我们可以采用只对表达设计受体的细胞起作用的设计药物，开启或关闭，上调或下调它们。这种药物不会影响任何的宿主细胞因为它们没有这种专门的受体。这是一个非常干净的系统。”

这项研究第一次表明采用人类干细胞移植，由于这种新的基因编辑技术，你可以远程调控移植细胞的功能，且功能是可逆的。如果你拿走药物，它就会恢复原状。

张素春说，许多其他的状况都可以受益于这种方法。“这是采用帕金森病作为模型的第一个原理证明，但它或许还适应于许多其他的疾病，且不仅仅是神经系统疾病。”

张素春教授是著名的WiCell研究所创始人之一。他的实验室主要研究胚胎干细胞（尤其是人胚胎干细胞）的神经分化，是该领域做的最好的实验室。他的贡献包括曾在国际上首次将人胚胎干细胞分化成神经前体细胞，将胚胎干细胞分化成各种类型神经元及胶质细胞，研究关键基因（如Pax6等）在神经系统发育中的作用等。

2013年5月，威斯康星大学的张素春研究小组，绕过称作诱导多能干细胞（iPSC）的多能阶段，将来自人体和猴子的皮肤细胞直接转变成了一种神经祖细胞，这种祖细胞能够形成各种神经系统细胞。这一成果发表在5月2日的《Cell Reports》杂志上（张素春教授Cell子刊干细胞转分化研究新突破 ）。

2015年7月，张素春课题组报告称开发出了一种新策略来快速构建诱导性基因敲除（iKO）人类多能干细胞（hPSC）系。相关研究论文发布在Cell stem cell杂志上（张素春教授Cell stem cell：用CRISPR构建诱导性基因敲除人类干细胞系 ）。

2015年12月，张素春教授领导来自威斯康星大学的研究人员报告称，他们开发出了一种新策略诱导人类多能干细胞（hPSCs）分化生成血清素神经元(serotonin neuron)。这一研究成果发布在Nature Biotechnology杂志上（张素春教授Nature Biotechnology干细胞分化研究新成果 ）。

（生物通：何嫱）

作者简介：

张素春

男，1963年出生，博士，教授，博士生导师。现为长江特聘教授。1984年毕业于温州医学院，1989年于上海医科大学获人体解剖学硕士学位。1999年于加拿大萨斯卡奇温（University of Saskatchewan）大学医学院就读细胞生物学系，获博士学位。1996年至1999 年任职于美国威斯康新（University of Wisconsin）大学兽医学院医学系神经再生研究室博士后。2006年3月至今任复旦大学上海医学院解剖和组织胚胎学系教授，生物医学研究院PI，长江特聘教授。

科研成果
1987年获中国科学院（上海）青年优秀论文比赛二等奖（题目：中枢神经髓鞘形成的研究）。1991年被评为上海医科大学优秀教师。1991年获上海市科学技术完成奖（题目：中枢神经髓鞘形成，脱髓鞘，和髓鞘再生的研究）。1992 年获上海市科学技术进步二等奖（题目：中枢神经髓鞘形成，脱髓鞘，和髓鞘再生的研究）。1993 年获国家科学技术完成奖（题目：中枢神经髓鞘形成， 脱髓鞘，和髓鞘再生的研究）1995 年为International Journal of Developmental Neuroscience特邀编辑。2002 年获美国迈迪逊市（Madison）最佳科学家奖。2005 年为美国国会关于干细胞研究听证会证人。2006 年主编Human Embryonic Stem Cells。2007 年Panelist, NIH Blueprint on Neuroscience Research Workshop. 2008 年Consultant to F.D.A. on Biologics Evaluation and Research、 Royan International Award for Stem Cell Research. 研究方向:胚胎干细胞。

生物通推荐原文索引：

Chemical Control of Grafted Human PSC-Derived Neurons in a Mouse Model of Parkinson’s Disease

Transplantation of human pluripotent stem cell (hPSC)-derived neurons is a promising avenue for treating disorders including Parkinson’s disease (PD). Precise control over engrafted cell activity is highly desired, as cells do not always integrate properly into host circuitry and can cause suboptimal graft function or undesired outcomes. Here, we show tunable rescue of motor function in a mouse model of PD, following transplantation of human midbrain dopaminergic (mDA) neurons differentiated from hPSCs engineered to express DREADDs (designer receptors exclusively activated by designer drug). Administering clozapine-N-oxide (CNO) enabled precise DREADD-dependent stimulation or inhibition of engrafted neurons, revealing D1 receptor-dependent regulation of host neuronal circuitry by engrafted cells. Transplanted cells rescued motor defects, which could be reversed or enhanced by CNO-based control of graft function, and activating engrafted cells drives behavioral changes in transplanted mice. These results highlight the ability to exogenously and noninvasively control and refine therapeutic outcomes following cell transplantation