用于干细胞神经诱导的小分子
人体诱导多能干细胞 (hiPSC) 分化为功能性神经元的过程一直是一个研究热点，在神经退行性疾病的治疗方面很有前景。在过去，将 hiPSC 转化为神经细胞谱系是一个极为耗时的过程，原因之一是选择性存留方案的产率较低，另一个原因是胚胎体形成的异质性。采用靶向神经细胞分化信号通路的小分子，可能可以解决这些问题。
Lorenz Studer 实验室在 2009 年的一篇论文中提出了一种神经细胞分化的新方法，使用头蛋白和小分子抑制剂 SB 431542（目录编号 1614）抑制 SMAD 信号。这种方法可快速稳定地诱导转化 hiPSC，在分化的第 11 天即可产出相同的 PAX6+ 神经外胚层细胞群体。以此为基础，可以得到神经嵴细胞、玫瑰花环神经干细胞、多巴胺能神经元和运动神经元（Chambers 等人，2009）。
之后，同一组研究人员（Chambers 等人，2012）改进了这种方法，将头蛋白替换为 BMP 抑制剂 LDN 193189（目录编号 6053），并另外加入了三种小分子，包括 SU 5402（目录编号 3300）、CHIR 99021（目录编号 4423）和 DAPT（目录编号2634），以加速从 hiPSC 产出有丝分裂后神经元的过程。这些化合物可分别抑制 VEGF/FGF/PDGF 信号、GSK-3β 和 Notch 信号。该方案根据其组分被命名为 LSB3i，可在第 8 天诱导产生神经嵴细胞。在第 15 天，进一步分化产生了表达感觉神经元标记物的细胞。根据其香草素受体的表达，以及电生理学特征，这些细胞被确认为主要的功能性痛觉感受器（Chambers 等人，2012）。
进一步研究发现，WNT 信号通路在决定细胞分化为 CNS 还是神经嵴细胞方面有重要作用。LSB3i 方案的基础之一是 WNT 通路的激活，使用 CHIR 99021 结合双重的 SMAD 抑制，诱导产生神经嵴细胞谱系和周围神经元。在对此方案的进一步调整（Qi 等人，2017）中，CHIR 99021 被替换为 WNT 信号抑制剂 XAV 939（目录编号 3748），从而得到高纯度 (>98%) 的 PAX6+ 细胞群落，分化时间只需 6 天。这一转化过程的效率通过结合双重 SMAD 抑制 PD 0325901（目录编号 4192）、SU 5402 和 DAPT 得到了进一步提升，在分化第 13 天得到了 70% TUJ1（一种神经元的标记物）阳性的神经元（图 1）。Qi 等人还在符合药品生产质量管理规范 (GMP) 的培养条件下实施了该方案。在该方案后的长期培养中，得到了可发放动作电位和形成兴奋性突触的神经元。hiPSC 分化细胞具有可观的临床应用前景，在一项体内研究中，将这些皮层神经元移植到小鼠大脑皮层，形成了长距离投射结构（Qi 等人，2017）。
图 1：使用小分子从 hiPSC 分化得到功能性皮层神经元
上文介绍的方案及其他最近的发表成果显示，hiPSC 可以稳定分化为神经元，并能以符合 GMP 标准的方式植入人体。Clinicaltrials.gov 网站显示，目前有约 10 项临床试验在研究干细胞分化神经前体或神经元的移植，用于治疗帕金森氏病、肌萎缩性脊髓侧索硬化症、多发性硬化症和外伤性脊髓损伤。这些试验有的已经完成，有的正在招募患者。使用小分子推动神经细胞分化相比之前的方案有重大改进，所需时间和细胞产量均得到了优化，为将所得细胞用于神经退行性疾病的治疗奠定了基础。请随时留意 Tocris 即将推出的全新独家 GMP 干细胞化合物！
参考文献
Chambers et al (2009) Highly efficient neural conversion of human ES and iPS cells by dual inhibition of SMAD. Nat Biotechnol. 27 (3), 275. PMID: 19252484
Chambers et al (2012) Combined small molecule inhibition accelerates developmental timing and converts human pluripotent stem cells into nocicieptors. Nat Biotechnol. 30 (7), 715. PMID: 22750882
Qi et al (2017) Combined small-molecule inhibition accelerates the derivation of functional, early-born, cortical neurons from human pluripotent stem cells. Nat Biotechnol. 35 (2), 154. PMID: 28112759