編者按
阿爾茲海默癥（AD）是一種無法治愈的進展性的神經(jīng)退行性疾病，其病理機制復(fù)雜，缺乏有效的體外模型，因此，開發(fā)更為有效的人體外細胞AD模型（尤其是散發(fā)性AD）有助于AD的藥物研發(fā)。
今天，我們特別關(guān)注一項貝克曼研究所研究團隊于2021年8月發(fā)表在《Advanced Science》的經(jīng)典研究——Modeling Sporadic Alzheimer’s Disease in Human Brain Organoids under Serum Exposure，該研究報告了利用hiPSCs（人類誘導(dǎo)多能干細胞）衍生的大腦類器官，模擬體外sAD（散發(fā)性阿爾茨海默?。┠Ｐ?，在血清暴露條件下，該模型可以表征AD的多種病理特征，為AD機制研究和治療藥物的開發(fā)提供了新的平臺。
一、研究背景
阿爾茲海默癥（AD）是一種無法治愈的進展性的神經(jīng)退行性疾病，其病理特征主要包括細胞外的淀粉樣（Aβ）斑塊、細胞內(nèi)的磷酸化Tau蛋白纏結(jié)以及年齡相關(guān)的記憶衰退。AD主要分為家族性AD以及散發(fā)性AD，其中家族性AD約占5%，而散發(fā)性AD約占95%。而目前對于AD的藥物研發(fā)基本以失敗告終，可能的原因在于AD發(fā)病機制的復(fù)雜（尤其是散發(fā)性AD）、藥物靶點的單一（Aβ）以及動物模型與人之間的差異。
因此，開發(fā)更為有效的人體外細胞AD模型（尤其是散發(fā)性AD）有助于AD的藥物研發(fā)。近幾年因其人來源、易于獲得以及能夠產(chǎn)生和疾病相關(guān)的細胞類型等特性，人誘導(dǎo)多能干細胞（hiPSCs）被用于各種疾病建模。其中iPSCs誘導(dǎo)的類腦器官由于其與人腦器官細胞組織的相似性，被廣泛用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的建模。
在本研究中，研究人員在類腦器官中進行血清暴露來模擬散發(fā)性AD。該過程模擬的是在衰老的人腦中，由于血腦屏障（BBB）功能受損，人腦被暴露于血清中，此過程被認為是AD發(fā)病機制中的關(guān)鍵因素。研究人員發(fā)現(xiàn)血清暴露的類腦器官能表征AD的多種病理特征，包括淀粉樣（Aβ）沉積、磷酸化Tau蛋白水平升高、突觸損失以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能的失衡。該研究建立的類腦器官散發(fā)性AD模型為未來的AD機制研究以及治療藥物的開發(fā)提供平臺。
二、主要研究成果
1、hiPSCs衍生大腦類器官的生成和特征
首先，研究人員將iPSC誘導(dǎo)為類腦器官，為了保證實驗良好的重復(fù)型以及一致性，研究人員于20-40天間挑選具備良好的神經(jīng)花環(huán)樣結(jié)構(gòu)的類腦器官用于后續(xù)的實驗。
進一步鑒定發(fā)現(xiàn)，在50-60天的類腦器官上觀察到神經(jīng)元（TUJ+）、膠質(zhì)細胞（GFAP+）以及皮質(zhì)層結(jié)構(gòu)（CTIP2+/SATB+），因為皮層是AD患者大腦中主要被影響的一個區(qū)域，因此以上結(jié)果表明，誘導(dǎo)的類腦器官具有皮層結(jié)構(gòu)，同時含有神經(jīng)元以及膠質(zhì)細胞（AD病理相關(guān)的細胞類型），適合在體外用于模擬AD。
原文圖1 hiPSCs衍生腦類器官的生成與特征
2、血清暴露增加BACE（β-分泌酶1）的表達誘導(dǎo)了Aβ樣病理的發(fā)生
研究表明，血腦屏障受損是AD發(fā)病的一個危險因素，血腦屏障受損會導(dǎo)致大腦處于血清暴露的狀態(tài)下，因此研究者探究血清暴露是否會誘導(dǎo)AD病理表型。
首先研究人員將類腦器官暴露于人類血清中，發(fā)現(xiàn)類腦器官中的Aβ水平明顯上調(diào)，且Aβ大部分是不可溶狀態(tài)的，進一步的免疫熒光染色以及電鏡結(jié)果觀察到類腦器官中有明顯的Aβ沉淀，以上結(jié)果表明血清暴露誘導(dǎo)了類腦器官的AD病理表型。
原文圖2 血清暴露通過增加BACE表達誘導(dǎo)了Aβ病理
3、血清暴露通過糖原合酶激酶3α/β(GSK3 α/β) 誘導(dǎo)腦類器官p-Tau表達升高
研究者進一步探究了血清暴露是否會導(dǎo)致Tau蛋白的磷酸化，免疫熒光染色以及WB的結(jié)果觀察到血清暴露的類腦器官中磷酸化Tau蛋白的水平明顯上調(diào)，表明血清暴露可以模擬AD另一病理表型。
原文圖3 血清暴露可通過GSK3ɑ/β誘導(dǎo)p-Tau病理
4、血清暴露誘導(dǎo)突觸丟失和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的損害
突觸丟失是AD的另一個關(guān)鍵特征，研究人員首先對類腦器官進行免疫熒光染色（SYN1），觀察到血清暴露的類腦器官中突觸連接顯著減少。
進一步研究者利用鈣成像以及微電極陣列（MEA）探究血清暴露對于類腦器官神經(jīng)活動的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)血清暴露的類腦器官的神經(jīng)明顯下調(diào)，表現(xiàn)為鈣信號顯著減少以及神經(jīng)活動頻率也明顯降低。以上結(jié)果表明，血清暴露可以導(dǎo)致類腦器官突觸丟失，影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動。
原文圖4 血清暴露導(dǎo)致突觸喪失和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能降低
5、血清暴露下腦類器官對復(fù)合治療的反應(yīng)
研究人員對血清暴露的類腦器官進行單細胞RNA測序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)血清暴露的類腦器官中線粒體功能以及突觸功能變化顯著，與AD患者測序保持一致，表明血清暴露的類腦器官可以模擬出AD患者突觸功能降低的情況。
原文圖5 血清暴露下腦類器官對復(fù)合治療的反應(yīng)
三、編者點評
綜上所述，該研究使用iPSC誘導(dǎo)的類腦器官在血清暴露的情況下，可以模擬多種AD表型，為AD的機制研究以及藥物開發(fā)提供了一個平臺。
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