Att omvandla en typ av cell till en annan – t.ex. en hudcell till en nervcell – kan göras genom en process som kräver att hudcellen induceras till en ”pluripotent” stamcell och sedan differentieras till en nervcell. Forskare vid MIT har nu tagit fram en förenklad process som kringgår stamcellsstadiet och omvandlar en hudcell direkt till en nervcell.
Genom att arbeta med musceller har forskarna utvecklat en omvandlingsmetod som är mycket effektiv och kan producera mer än 10 nervceller från en enda hudcell. Om metoden kopieras till mänskliga celler kan den möjliggöra produktion av stora mängder motorneuroner, som potentiellt skulle kunna användas för att behandla patienter med ryggmärgsskador eller sjukdomar som försämrar rörligheten.
”Vi kunde nå en nivå där vi kunde ställa frågor om huruvida dessa celler kan vara livskraftiga kandidater för cellersättningsterapier, vilket vi hoppas att de kan vara. Det är dit den här typen av omprogrammeringsteknik kan ta oss”, säger Katie Galloway, W. M. Keck Career Development Professor i biomedicinsk teknik och kemiteknik.
Som ett första steg mot att utveckla dessa celler som en terapi visade forskarna att de kunde generera motorneuroner och transplantera dem i hjärnan på möss, där de integrerades med värdvävnaden.
Galloway är huvudförfattare till två artiklar som beskriver den nya metoden och som publiceras i Cell Systems. Nathan Wang, doktorand vid MIT, är huvudförfattare till båda artiklarna.
Från hud till nervceller
För nästan 20 år sedan visade forskare i Japan att de genom att tillföra fyra transkriptionsfaktorer till hudceller kunde få dem att bli inducerade pluripotenta stamceller (iPSC). I likhet med embryonala stamceller kan iPSC differentieras till många andra celltyper. Tekniken fungerar bra, men det tar flera veckor och många av cellerna övergår inte helt och hållet till mogna celltyper.
”Ofta är en av utmaningarna vid omprogrammering att cellerna kan fastna i ett mellantillstånd”, säger Galloway. ”Därför använder vi oss av direkt omvandling, där vi istället för att gå via en iPSC-intermediär går direkt från en somatisk cell till en motorneuron.”
Galloways forskargrupp och andra har demonstrerat denna typ av direktkonvertering tidigare, men med mycket låga utbyten – färre än 1%. I Galloways tidigare arbete använde hon en kombination av sex transkriptionsfaktorer plus två andra proteiner som stimulerar cellproliferation. Var och en av dessa åtta gener levererades med hjälp av en separat virusvektor, vilket gjorde det svårt att säkerställa att var och en uttrycktes på rätt nivå i varje cell.
I den första av de nya Cell Systems-artiklarna rapporterar Galloway och hennes studenter om ett sätt att effektivisera processen så att hudceller kan omvandlas till motorneuroner med hjälp av bara tre transkriptionsfaktorer, plus de två gener som driver cellerna till ett mycket proliferativt tillstånd.
Med hjälp av musceller började forskarna med de ursprungliga sex transkriptionsfaktorerna och experimenterade med att ta bort dem, en i taget, tills de nådde en kombination av tre – NGN2, ISL1 och LHX3 – som framgångsrikt kunde slutföra omvandlingen till neuroner.
När antalet gener var nere i tre kunde forskarna använda ett enda modifierat virus för att leverera alla tre, vilket gjorde att de kunde säkerställa att varje cell uttryckte varje gen i rätt nivåer.
Med hjälp av ett separat virus levererade forskarna också gener som kodar för p53DD och en muterad version av HRAS. Dessa gener får hudcellerna att dela sig många gånger innan de börjar omvandlas till nervceller, vilket ger ett mycket högre utbyte av nervceller, cirka 1 100%.
”Om man skulle uttrycka transkriptionsfaktorerna i riktigt höga nivåer i icke-proliferativa celler skulle omprogrammeringsgraden bli väldigt låg, men hyperproliferativa celler är mer mottagliga. Det är som om de har förstärkts för omvandling, och då blir de mycket mer mottagliga för nivåerna av transkriptionsfaktorerna”, säger Galloway.
Forskarna utvecklade också en något annorlunda kombination av transkriptionsfaktorer som gjorde det möjligt för dem att utföra samma direkta omvandling med hjälp av mänskliga celler, men med en lägre verkningsgrad – mellan 10 och 30%, uppskattar forskarna. Denna process tar cirka fem veckor, vilket är något snabbare än att först omvandla cellerna till iPSC och sedan förvandla dem till neuroner.
Implantering av celler
När forskarna hade identifierat den optimala kombinationen av gener att leverera började de arbeta med de bästa sätten att leverera dem, vilket var fokus för det andra Cell Systems-papperet.
De testade tre olika leveransvirus och fann att ett retrovirus uppnådde den mest effektiva omvandlingshastigheten. Att minska tätheten av celler som odlades i skålen bidrog också till att förbättra det totala utbytet av motorneuroner. Denna optimerade process, som tar cirka två veckor i musceller, gav ett utbyte på mer än 1.000%.
I samarbete med kollegor vid Boston University testade forskarna sedan om dessa motorneuroner framgångsrikt kunde inplanteras i möss. De levererade cellerna till en del av hjärnan som kallas striatum, som är involverad i motorisk kontroll och andra funktioner.
Efter två veckor kunde forskarna konstatera att många av nervcellerna hade överlevt och verkade bilda kopplingar till andra hjärnceller. När dessa celler odlades i en skål uppvisade de mätbar elektrisk aktivitet och kalciumsignalering, vilket tyder på att de kan kommunicera med andra nervceller. Forskarna hoppas nu kunna undersöka möjligheten att implantera dessa neuroner i ryggmärgen.
MIT-teamet hoppas också kunna öka effektiviteten i denna process för omvandling av mänskliga celler, vilket skulle kunna möjliggöra generering av stora mängder nervceller som skulle kunna användas för att behandla ryggmärgsskador eller sjukdomar som påverkar den motoriska kontrollen, t.ex. ALS.
Kliniska prövningar med neuroner från iPSC:er för behandling av ALS pågår för närvarande, men genom att utöka antalet celler som är tillgängliga för sådana behandlingar kan det bli lättare att testa och utveckla dem för en mer utbredd användning på människor, säger Galloway.
Mer information om detta: Proliferationshistoria och transkriptionsfaktornivåer driver direkt omvandling till motorneuroner, Cell Systems (2025). DOI: 10.1016/j.cels.2025.101205 . www.cell.com/cell-systems/full … 2405-4712(25)00038-9
Kompakta transkriptionsfaktorkassetter genererar funktionella, engraftbara motorneuroner genom direkt konvertering, Cell Systems (2025). DOI: 10.1016/j.cels.2025.101206 . www.cell.com/cell-systems/full … 2405-4712(25)00039-0
