Establishment of a human pluripotent stem cell-derived sensory neuron model for diabetic peripheral neuropathy and pharmacological evaluation

对于数百万糖尿病患者而言，一种无声且痛苦的并发症正悄然侵蚀着他们手脚的神经。这种被称为糖尿病周围神经病变的疾病，始于感觉丧失，通常被描述为一种像袜子或手套一样向上蔓延的麻木感。随着时间的推移，损伤不断加深，导致那些将信号从皮肤传导至大脑的长而细的纤维由外向内逐渐萎缩并死亡。虽然医生可以缓解疼痛，但目前尚无能够阻止或逆转这种神经退行性变的治疗方法。寻找此类疗法的进程一直停滞不前，其根本原因在于：科学家们缺乏一种可靠的方法在实验室中研究人类神经细胞。小鼠或大鼠体内的细胞行为与人类不同，而直接从人类患者身上获取神经组织往往是不可能的。如果没有一个能准确模拟该疾病的人类模型，测试新药就像是在从未见过引擎本身的情况下试图修理一台复杂的发动机。

北京顺义区医院的研究团队现在已经制造出了那台缺失的“发动机”。他们利用人类干细胞创建了一个实验室模型，这些干细胞可以生长成成熟的感觉神经元，即糖尿病神经病变中受损的特定类型神经细胞。通过将这些人类细胞暴露在高血糖水平和氧化应激环境下，科学家们得以实时观察神经损伤的过程。他们的工作证实，这种损伤是由糖对细胞能量系统的毒性作用引起的，而不仅仅是由于高流体压力的物理压力。更重要的是，他们证明了该模型可以预测某种药物是否具有保护神经的作用。当他们测试了三种现有药物时，细胞存活了下来，神经那纤细而脆弱的分支也保持完好，这为寻找能够真正修复损伤的治疗方法开辟了新路径。

要理解这一新模型的工作原理，首先必须了解细胞的来源。研究人员以人类多能干细胞为起点，这类特殊的细胞能够转化为体内的任何组织。通过一套精心设计的化学信号序列，他们引导这些干细胞转化为感觉神经元。这一过程耗时三十五天。所得细胞并非各种类型的混合物，而是纯净的感觉神经元群体，并通过能够识别其身份的特定标记物进行了验证，且不存在运动神经元的标记物。这种纯度至关重要，因为它确保了随后观察到的任何损伤都是专门发生在涉及该疾病的感觉神经上的，而不会与其他细胞类型混淆。

在拥有了可靠的人类感觉神经元供应后，团队开始在培养皿中重建糖尿病周围神经病变的条件。他们知道，患有该病的患者承受着慢性高血糖，这最终会导致有害分子——活性氧物质（ROS）的堆积，从而破坏细胞的“发电厂”——线粒体。为了模拟这一过程，他们首先将细胞暴露在高浓度葡萄糖中二十四小时。随后，他们加入了一次过氧化氢爆发以触发急性氧化应激，模拟人体内发生的突发性损伤峰值。他们设计中的一个关键步骤是排除以往研究中的一个常见混淆点：他们想知道损伤是由糖本身引起的，还是仅仅因为高糖使得培养皿中的液体变得更粘稠、压力更大。为了测试这一点，他们在对照组中加入了甘露醇，以在不含糖的情况下创造相同的物理压力。结果显示，糖组中的细胞遭受了显著损伤，而仅有压力的对照组则保持健康。这证明了损伤是由葡萄糖的代谢毒性驱动的，而非物理压力。

一旦建立了损伤模型，研究人员便测试了它是否能识别可能保护神经的药物。他们选择了三种已知具有减轻压力或改善细胞健康潜力的化合物：N-acetylcysteine（N-乙酰半胱氨酸）、minocycline（米诺环素）和metformin（二甲双胍）。在让细胞暴露于损伤性应激之前，他们先给细胞提供了其中一种药物两小时的预处理时间。结果非常明确。未经过处理的细胞在压力冲击下表现出破坏性分子的剧增以及线粒体功能的崩溃。相比之下，接受药物处理的细胞维持了内部平衡。破坏性分子得到了控制，能量产生器官——线粒体也保持稳定。这三种药物都成功防止了细胞的即刻死亡，其中 N-acetylcysteine 在恢复细胞内部环境方面表现出最强的效果。

然而，衡量糖尿病周围神经病变模型的真正标准，不仅在于它能否让细胞存活几个小时，还在于它能否防止神经长分支缓慢、进行性的死亡。在患者身上，该疾病的特征是呈现出一种“向后退行”的模式，即神经的最远端首先发生崩溃。为了观察该模型能否捕捉到这一点，研究人员让实验持续运行了二十一天。在未接受药物治疗的组别中，神经纤维网络开始碎裂并消失，在三周内损失了近百分之七十的结构。这镜像了人类患者中所见的萎缩现象。但在接受早期药物处理的组别中，神经网络保持了稳固和连通。药物不仅让细胞存活下来，还保护了神经复杂的架构，防止了定义该疾病的长期的退行性变。

这项研究通过提供一个能够使用人类生物学语言进行交流的工具，为对抗糖尿病周围神经病变迈出了重要一步。研究人员已经证明，他们可以培育出纯净的人类感觉神经元，使其承受糖尿病特有的代谢压力，并以高精度观察由此产生的损伤。通过证明损伤是代谢性的而非物理性的，并展示该模型能够检测出即刻的细胞救援和长期的结构保护，他们创建了一个随时可投入使用的平台。该系统允许科学家以以往无法想象的信心来筛选潜在疗法，弥合了实验室实验与复杂的人类疾病现实之间的鸿沟。这项工作表明，有了正确的工具，寻找能够停止或逆转神经损伤的治疗方法已不再仅仅是一个希望，而是一个基于人类生物学的切实可能。