ヒト多能性幹細胞由来の大脳皮質ニューロンを移植し、成体のヒト大脳皮質神経回路に統合する。

Grafted human pluripotent stem cell-derived cortical neurons integrate into adult human cortical neural circuitry.

• Marita Grønning Hansen
• Cecilia Laterza
• Sara Palma-Tortosa
• Giedre Kvist
• Emanuela Monni
• Oleg Tsupykov
• Daniel Tornero
• Naomi Uoshima
• Jordi Soriano
• Johan Bengzon
• Gianvito Martino
• Galyna Skibo
• Olle Lindvall
• Zaal Kokaia

抄録

いくつかの神経変性疾患では、大脳皮質ニューロンが失われ、感覚、運動、認知機能に障害が生じる。様々な動物モデルを用いた研究により、多能性幹細胞から作製したヒト皮質神経前駆細胞を移植することで、大脳皮質に影響を及ぼす疾患の新しい治療法が開発される可能性が高まっている。例えば、我々は、誘導多能性幹細胞から作製したヒト長期神経上皮様幹細胞（rt-NES）由来の大脳皮質ニューロンを、脳卒中を起こした成人ラットの大脳皮質に移植すると、神経障害が改善され、求心性および求心性のニューロンと宿主の大脳皮質ニューロンとの間に形態的および機能的な接続が確立されることを示してきた。これまでのところ、ヒト多能性幹細胞由来のニューロンを用いた研究はすべて、動物モデルを用いた異種移植で行われてきた。これらのニューロンが成体ヒトの脳回路にも統合できるかどうかは不明である。ここでは、細胞培養で機能的なシナプスネットワークを形成することができる皮質化されたlt-NES細胞が、生体外で成人ヒト大脳皮質の器官型培養物に移植されると、成熟した層特異的な皮質ニューロンへと分化することを示している。移植されたニューロンは機能的であり、免疫電子顕微鏡、狂犬病ウイルス逆行性単シナプストレース、および全細胞パッチクランプ記録によって証明されるように、スライス内の成人ヒト皮質ニューロンと求心性および求心性の両方のシナプスを確立する。本研究の結果は、多能性幹細胞由来の神経細胞が、ヒトからヒトへの移植という状況においても、成体宿主の神経ネットワークに統合できることを示す初めての証拠を提供するものであり、それにより、将来的には患者の脳の神経細胞置換による回復を促進するための臨床応用の可能性を支持するものである。

Several neurodegenerative diseases cause loss of cortical neurons, leading to sensory, motor, and cognitive impairments. Studies in different animal models have raised the possibility that transplantation of human cortical neuronal progenitors, generated from pluripotent stem cells, might be developed into a novel therapeutic strategy for disorders affecting cerebral cortex. For example, we have shown that human long-term neuroepithelial-like stem (lt-NES) cell-derived cortical neurons, produced from induced pluripotent stem cells and transplanted into stroke-injured adult rat cortex, improve neurological deficits and establish both afferent and efferent morphological and functional connections with host cortical neurons. So far, all studies with human pluripotent stem cell-derived neurons have been carried out using xenotransplantation in animal models. Whether these neurons can integrate also into adult human brain circuitry is unknown. Here, we show that cortically fated lt-NES cells, which are able to form functional synaptic networks in cell culture, differentiate to mature, layer-specific cortical neurons when transplanted ex vivo onto organotypic cultures of adult human cortex. The grafted neurons are functional and establish both afferent and efferent synapses with adult human cortical neurons in the slices as evidenced by immuno-electron microscopy, rabies virus retrograde monosynaptic tracing, and whole-cell patch-clamp recordings. Our findings provide the first evidence that pluripotent stem cell-derived neurons can integrate into adult host neural networks also in a human-to-human grafting situation, thereby supporting their potential future clinical use to promote recovery by neuronal replacement in the patient's diseased brain.

© 2020 The Authors. STEM CELLS TRANSLATIONAL MEDICINE published by Wiley Periodicals LLC on behalf of AlphaMed Press.