原創 Nayanan Siva 酷炫腦
來自Nautilus
以下為朗讀小姐姐全文音頻
作者 | Nayanan Siva
翻譯| 任成斐
改寫| 陳陽
審校 | 酷炫腦主創 & 小注
朗讀 | 鴿仔
美工 | 雪今金
編輯 | 湘蓉
從理論上來說，不太可能憑空產生有功能的神經元或重建神經元迴路，但「天真」給了科學家們勇氣來挑戰現有的理論。
幾年前，加州大學聖地牙哥分校的實驗室裡，一個培養皿中的細胞把眾多分子生物學家給難倒了：這原本是一些人類癌細胞，在恆溫培養箱呆了兩周後，表面卻無緣無故地長出了突起。這些細胞的負責人——薛願超，是付向東實驗室的博士後。他與同事們對此百思不得其解，還請教了神經科學方向的專家。有人猜測這些細胞可能是神經元，但誰都沒法下定論。
在培養皿裡培養神經元並不稀奇，但一般神經元要從動物體內分離出來，或者由神經幹細胞分化而來。過去還沒有把癌細胞轉化為神經元細胞的報導。在實驗室條件下「製造」神經元細胞，一直是科學界投入大量人力物力希望實現的目標。一旦成功，這種技術將對神經退行性疾病的理解和治療意義非凡。
而現在，這個主攻RNA結合蛋白的研究組卻無心插柳地從癌細胞中培養出了神經元。
彼時的博士後薛願超，現在已是中國科學院生物物理研究所的研究員。他說：「當時我不知道細胞出了什麼問題，這困擾了我很久。」他的實驗使用某種幹擾RNA（siRNA）來消除人類癌細胞中的PTB蛋白。他培養的細胞系（cell line）原本應該會快速增殖，但是卻在實驗中意外地停止生長了，這才有了故事開頭細胞被擱置了兩周的情節。薛願超和他的同事們認為之前實驗的失敗是因為培養皿被汙染，於是他們又進行了一次又一次的實驗來避免這個問題。
他們對於這個領域一知半解，也不明白他們正在與科學背道而馳。但這兩點反而成就了他們。天真讓他們一路前行。
「我們測試了所有能找到的細胞類型，然後對它們都進行了相同的操作——去除PTB蛋白，結果這些細胞都變成了神經元。」研究組長付向東說。隨後他們意識到，不管是成纖維細胞（註：一種可以合成胞外基質和膠原蛋白的細胞），癌細胞，膠質細胞還是其他的細胞，每當去除細胞的PTB蛋白，該細胞就會轉化成神經元。這個結果預示著「製造」神經元的巨大應用潛力。實驗的下一步轉向了研究小鼠模型上的帕金森病。帕金森病與其他神經退行性疾病一樣，治療很困難，目前也沒有治癒方法。人類的大腦通常在青春期就不再產生新的神經元了。所以，當現有的神經元受損或凋亡時，人體也就沒有新細胞來替換它們。
薛願超和同事們把研究的重點放在中腦黑質這個腦區上。中腦黑質（substantia nigra）是中腦中最大的細胞核團，其中有大量多巴胺能神經元（dopaminergic neuron），釋放著重要的神經遞質——多巴胺。帕金森病的一個重要表現，就是大腦中多巴胺能神經元的減少。如何把這些失去的神經元補回來呢？薛願超等人將目光投向了星形膠質細胞。這是一類狀似星星的細胞，在大腦中大量存在。它們不是神經元，但對神經的發育、生理機能也很重要。當神經元凋亡時，周圍的星形膠質細胞就會大量增殖。正常情況下，星形膠質細胞產生的RNA結合蛋白PTB1，抑制它們分化為神經元。基於這些特點，研究小組推測，如果在患有帕金森病的大腦中去掉星形膠質細胞的PTB1，就有可能轉化出新的神經元，進而有助於帕金森病的治療。
但是，這個想法受到了神經科學領域的質疑，因為從理論上來說，不太可能憑空產生有功能的神經元或重建神經元迴路。之前看到的這些結果都是在培養皿中進行的，這與在動物體內實驗之間還有很大的鴻溝。不僅如此，從實驗的角度來看，在活生物體內將星形膠質細胞轉化為功能性神經元的可能性更是渺茫。
面對這些挑戰，付向東認為，對神經科學的「天真」，反而給了他們勇氣來挑戰現有的理論。他的研究小組設計了一種攜帶siRNA的腺相關病毒，通過阻止Ptbp1基因的表達來抑制PTB蛋白的合成。他們使用帕金森病的模式小鼠，用氧化多巴胺（oxidopamine）消除了中腦的大多數多巴胺能神經元後，將它們分為兩組。其中，實驗組小鼠的中腦接受了病毒注射，而對照組小鼠的中腦則被注射了不帶病毒的siRNA。12周以後，實驗組小鼠轉化出的神經元已達30％至35％，而對照組小鼠中則沒有新的神經元產生。通過進一步的實驗，他們還發現，星形膠質細胞不僅可以轉化為功能性的多巴胺能神經元，這些神經元還能逐漸成熟並重建該區域的神經迴路，使運動功能障礙得以恢復。
神經科學理論說錯了。
研究小組意識到這種技術可以在大腦的特定區域將不同類型的細胞轉化為神經元；通過將帶有載體的病毒注射到大腦的皮質區域，皮質星形膠質細胞可以轉化為皮質神經元。這項研究發表在今年6月的《自然》雜誌上，結果表明他們已經在小鼠身上成功地逆轉帕金森病的症狀。
史丹福大學醫學院神經外科的研究員王新南對此評論道：「這是真正打破常規的創新。如果在人類中也有相似的神經機制，它將為治療神經退行性疾病提供全新的範式：我們只要把患者自身的星形膠質細胞轉化為神經元，就有希望產生療效。」
這類實驗並非沒有人嘗試過。在2017年的一項研究中，曾有瑞典的研究人員將帕金森病小鼠的星形膠質細胞轉化為誘導多巴胺能（iDA）神經元。但轉化率很低，並且iDA神經元無法形成遠距離神經元聯結，也無法完全恢復患病小鼠的運動能力。
這有可能是因為星形膠質細胞上PTB1基因的表達，抑制了它向神經元轉化的過程。同時，這也解釋了為什麼現在去除PTB蛋白可以使星形膠質細胞轉化功能完好的神經元。
「我的夢想是，在退休之前我們能夠進行一次臨床試驗，並且患者能從中受益。」
儘管薛願超與同事們完成了一系列設計巧妙的實驗，他們的成果發表還是遇到了一些障礙。2017年第一次投稿給一家學術期刊時，他們被拒了稿。付向東回憶道：「有三位審稿人看了文章後，私下打電話向我們表示祝賀。」他們對這項研究都評價為「振奮人心」的「重大突破」，但是出版社的編輯卻遲疑不決。再加上第四位審稿人質疑投稿者沒有正確解讀實驗結果，這篇論文最終並沒有被接收。
隨後，他們將論文提交給《自然》，經過幾年的努力，最終成功發表。這一次投稿後，仿佛曆史重演般，也有審稿人立即來電祝賀他們的「革命性工作」。而第四位審稿人則給他們出了難題：建議補做一系列驗證性的實驗。「他們建議了進行28項實驗，」付向東說，「但我們一個不落地做了。所以這篇文章的篇幅才這麼長。」
(Rivetti , 2017)
來自倫敦大學學院神經退行性疾病學系的研究員約翰·哈迪（John Hardy）認為，雖然這項研究對帕金森病治療方法的實際貢獻還不明了，但從基礎科學理論的角度看，非常振奮人心。
提到接下來的研究方向，付向東的目標是更大的動物，比如猴子，而最終目標則是人類，尤其是人類大腦的老化問題。這是一個宏大的目標。付向東對於其工作量和潛在問題有清楚的認識。他說：「我的夢想是，在退休之前能看到這項研究進入臨床試驗的階段，並且有患者能從中受益。」
面對同行質疑、資金不足、文章被拒，付向東和他的團隊是如何不忘初心，堅持不懈地奮鬥了十年呢？他謙遜地把這歸功於對科學的赤子之心，「作為基礎科學家，我們從沒想過自己會走上（醫學應用）這條研究道路。這也是純屬意外。」
研究者王新南對此補充道：「每個科學發現背後都充滿了『意外』。多數時候科學項目的進展並不會朝著原來的方向前進。面對這些『意外』，有時候是不是領域內的專家其實並不重要，重要的是研究者的處理方式。科學的突破，既要有辨別噪音和真正科學發現的眼光，又要有推動科學研究的能力。」
參考文獻（點擊滑動查看）
1. Durães,F., Pinto, M., & Sousa, E. Old drugs as new treatments forneurodegenerative diseases. Pharmaceuticals 11, 44 (2018).
2. Qian, H., et al. Reversing a modelof Parkinson’sdisease with in situ converted nigral neurons. Nature 582, 550-556 (2020).
3. Rivetti di Val Cervo, P. Inductionof functional dopamine neurons from human astrocytes in vitro and mouseastrocytes in a Parkinson’s disease model.Nature 35, 444-452 (2017).
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原標題：《癌細胞中培養出的神經元，帶領我們逆轉帕金森》
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