Adv Sci：大脑类器官用于散发性阿尔茨海默病研究
AD是目前无法治愈的神经退行性疾病，其病理机制复杂，缺乏有效的体外模型，致使治疗药物开发困难，多以失败告终。
最近来自美国的研究人员在《Advanced Science》杂志上发表题为“Modeling Sporadic Alzheimer’s Disease in Human Brain Organoids under Serum Exposure”的文章，报道了利用hiPSCs（人类诱导多能干细胞）衍生的大脑类器官，模拟体外sAD（散发性阿尔茨海默病）模型，在血清暴露条件下，该模型可以表征AD的多种病理特征，为AD机制研究和治疗药物的开发提供了新的平台。
研究结果
为了生成具有良好再现性和同质性的大脑类器官，研究人员在hiPSCs诱导的第20-40天选择高质量的大脑类器官团（玫瑰结节样）（图1A）。在50-60天，观察到脑类器官的SOX2 层和 TUJ1 层以及TBR2 和皮质上层SATB 神经元与CTIP2 神经元的重叠(图1B-D)。
这些结果表明生成的脑类器官模拟了皮层区域，能够检测到神经元和星形胶质细胞，以及AD病理相关的细胞类型，有良好的重现性，适合体外模拟sAD。
图1：hiPSCs衍生脑类器官的生成和特征
血清暴露增加BACE（β-分泌酶1）
的表达诱导了Aβ样病理的发生
研究人员将脑类器官暴露在人类血清中，分析BACE以及p-Tau和Aβ蛋白表达水平(图2A,B)。发现血清处理组中脑类器官的上述指标显著增加(图2C-E)。免疫荧光染色和电镜结果也支持上述结论(图2F-J)，BACE抑制剂IV治疗降低了Aβ水平。表明血清暴露诱导了脑类器官Aβ样病理的发生，BACE表达升高是诱导Aβ病理的潜在机制。
图2：血清暴露通过增加BACE表达诱导了Aβ病理
血清暴露通过糖原合酶激酶3α/β(GSK3 α/β) 诱导脑类器官p-Tau表达升高
作者用AT8、AT270抗体去评估血清暴露对p-Tau表达的影响，发现血清暴露条件下p-Tau表达增加，但Tau总表达不变(图3A-D)，表明血清处理可以诱导Tau蛋白的磷酸化。与蛋白质印迹结果一致，免疫染色也观察到 p-Tau水平增加（图 3E）。这些结果共同表明血清暴露可诱导脑类器官中p-Tau水平升高。
为了证实血清暴露可以通过GSK3α/β诱导p-Tau水平，在血清暴露条件下，用CHIR99021（GSK3α/β抑制剂）处理，显着降低了p-GSK3α/β和总GSK3α/β及 p-Tau水平（图 3F-H），表明血清暴露可以通过增强GSK3α/β表达或提高其活性来诱导p-Tau增加。
图3：血清暴露可通过GSK3ɑ/β诱导p-Tau病理
血清暴露诱导突触丢失和神经网络的损害
突触丢失是AD的另一个关键特征。研究者利用突触蛋白-1 (SYN1)对脑类器官进行染色，发现血清处理的脑类器官的SYN1[ ]突触点显着减少（图 4A-C）。
利用钙成像和微电极阵列(MEA)评估血清暴露对脑类器官神经活动的影响，发现血清处理的脑类器官中检测的钙信号显着减少（图 4D），同时神经网络活动频率和同步指数也明显降低（图 4E-I）。
这些结果共同表明，血清暴露可诱导脑类器官的突触丢失，损害神经网络活动。
图4：血清暴露导致突触丧失和神经网络功能降低
血清暴露下脑类器官对复合治疗的反应
在血清暴露时，BACE抑制剂IV治疗未能降低脑类器官中p-Tau水平(图5A)。同样条件下用CHIR治疗发现Aβ病理不能通过降低p-Tau水平来缓解(图5B)。
此外，上述两种治疗方式均未增加血清暴露中脑类器官的SYN1 突触点(图5C,D)，表明血清暴露可独立诱导Aβ和p-Tau的突触丢失，诱发多种AD病理，所以靶向多种病理的复合疗法必不可少。
图5：血清暴露下脑类器官对复合治疗的反应
单细胞转录组学分析揭示血清暴露
脑类器官神经元和星形胶质细胞功能损伤
作者对来自不同hiPSCs系（BO2和BO3）脑类器官进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）（图 6A）。发现血清处理的脑类器官细胞亚群的生长和分化轨迹并未变化（图 6B），此外，在脑类器官中还发现神经元、星形胶质细胞和神经上皮细胞(图6C)。
在血清处理的脑类器官神经元中，对差异表达基因 (DEG)进行基因集富集分析 (GSEA)，结果显示该组神经元线粒体功能、突触功能变化显著，NES富集评分分别为阳性、阴性(图6E)与已发表的 AD 患者结果测序结果一致，表明暴露于血清的脑类器官可以重现AD患者神经元突触功能降低的情况。
作者对同样条件下的星形胶质细胞进行分析，发现血清处理的脑类器官和AD患者的情况一样，星形胶质细胞突触功能下降、免疫应答增强。
图6：scRNA-seq显示血清暴露降低了脑类器官神经元的突触功能
血清暴露诱导HRK基因激活
与脑类器官细胞凋亡
上文已经证实血清处理的脑类器官中线粒体功能功能障碍，导致细胞凋亡。在转录组学分析中，实时PCR检测到诱导细胞凋亡的线粒体HRK mRNA在血清处理的脑类器官的表达升高。
另外，血清暴露增加脑类器官中Cleaved-Caspase3的水平，导致细胞凋亡增加。
综上所述，该研究使用hiPSC衍生的脑类器官的sAD模型，在血清暴露条件下可以模拟多种AD病理特征，为AD的病理机制研究和治疗开发提供了一个平台，同时血清暴露条件下有利于进一步深入了解血脑屏障受损在AD发病机制中的作用。
参考文献
Chen X, Sun G, Tian E, Zhang M, Davtyan H, Beach TG, Reiman EM, Blurton-Jones M, Holtzman DM, Shi Y. Modeling Sporadic Alzheimer's Disease in Human Brain Organoids under Serum Exposure. Adv Sci (Weinh). 2021 Aug 2:e2101462. doi: 10.1002/advs.202101462. Epub ahead of print. PMID: 34337898.
编译作者: 臻至秦 (Brainnews创作团队)
校审: 悟空 (Brainnews编辑部)