編者按：母體免疫激活常導致新生兒罹患兒童自閉癥譜系障礙等神經發育缺陷疾病，相關的研究往往運用動物模型，易受種間差異性的影響。人多能干細胞（iPSC）來源的人腦類器官技術在腦發育相關研究中已取得一定進展。那么，能否利用人腦類器官研究母體免疫激活呢？如何驗證疾病模型的誘導效果并解釋內在的機制呢？
今天我們特別關注一項于2023年3月6日發表在《自然·分子精神病學》的最新研究——《Human brain organoid model of maternal immune activation identifies radial glia cells as selectively vulnerable》，該研究在人腦類器官上誘導出母體免疫激活疾病模型，并從多個角度驗證了造模的效果，最后在細胞和分子機制上研究了內在的機理。
一、研究背景
流行病學調查研究顯示，孕期母體的健康狀況對新生兒的發育影響較大[1-3]。其中，孕期病毒性或者細菌性的感染會導致母體細胞因子和趨化因子分泌增加，通過胎盤轉移或者誘導胎盤炎癥，從而增大胎兒發育環境中這些免疫介質的濃度，進而嚴重影響新生兒的神經發育。這就是母體免疫激活（maternal immune activation, MIA）所導致人類神經發育缺陷病，例如兒童自閉癥譜系障礙（autism spectrum disorder, ASD）。
鑒于近幾年新冠肺炎（COVID-19）等公共衛生事件頻發，MIA相關的疾病研究正越來越受到關注。據報道，在多種MIA動物模型中，都能觀察到人類ASD癥狀相關的行為缺陷表型[4-8]。但運用這些MIA動物模型進行的人類疾病研究，又往往受制于動物實驗的可變性以及種間差異性[9,10]。人誘導多能干細胞（human induced pluripotent stem cell, iPSC）來源的人腦類器官為研究逆境對生命早期人腦發育的影響提供了新的途徑。
作者在體外構建了人iPSC來源的背側前腦類器官（dorsal forebrain organoids, DFOs），以模擬胎兒的腦部發育情況，并通過Hyper-IL-6（促炎癥細胞因子白介素6（interleukin 6, IL-6）和其受體s-IL6R的嵌合蛋白）的暴露誘導建立了MIA的疾病模型，并對MIA導致的ASD等疾病風險增加的細胞和分子機制進行了研究。
原文圖1 人妊娠中期新皮質和背側前腦類器官中IL-6信號通路的特征
原文圖2 Hyper-IL-6處理級聯激活細胞內JAK/STAT通路，并改變背側前腦類器官的轉錄情況
二、研究結果
1. MIA疾病模型造模效果的驗證
文獻報道孕期IL-6的濃度升高與新生兒大腦結構和功能的改變相關[11-13]，在動物模型中，IL-6可在雄性后代中誘導出類似人ASD疾病行為學癥狀[14,15]。IL-6需要與其受體IL6R和另一信號轉導蛋白IL6ST形成復合體才能激活轉錄。
本文作者通過Hyper-IL-6處理腦類器官來造模，所以首先需要在分子機制上確定腦類器官可表達IL6ST。文獻報道胎兒腦新皮質細胞類型中的放射狀膠質細胞（radial glia, RG）可表達IL6ST[16]，作者通過免疫熒光，用Nestin標記RG，同時共標記IL6ST，在類器官中鑒定出RG細胞類型和IL6ST，且二者相關性強，從而證實了腦類器官對Hyper-IL-6的響應（原文圖1）。
在可響應性的基礎上，作者通過Western-Blot檢測到下游信號傳導相關蛋白質磷酸化水平升高，驗證了下游信號級聯的激活。作者進一步驗證下游信號激活后，相關轉錄事件的發生。通過檢測Hyper-IL-6處理后腦類器官的差異化表達基因。并通過富集分析，將差異化表達基因歸類到與先天免疫反應和JAK/STAT通路相關的生物學過程，以及分析出RGs可能是最容易受到Hyper-IL-6影響的細胞類型，這也和IL6ST表達在RGs中的表達模式互為印證（原文圖2）。
原文圖3 Hyper-IL-6處理使得背側前腦類器官的細胞類型組成產生細微變化。
2. MIA腦類器官疾病模型表現出輕微的細胞結構變化
在小鼠胚胎MIA模型中（E12.5），增殖性細胞分裂和神經源性細胞分裂的比例出現變化，最終導致發育后期深層興奮性神經元（deep-layer Exciatory Neuros, dExN）過度產生[15]。
作者通過免疫組化來研究腦類器官疾病模型在形態和組成細胞類型的變化，尤其是易受Hyper-IL-6影響的RGs的變化，結果顯示模型組腦室區類似區域SOX2+的細胞（具有干性）數量增加，而其中一種類型細胞，TBR2+的中間祖細胞（Intermediate progenitor cells, IPCs）數量不變，說明Hyper-IL-6特異性靶向腦室區的RGs（vRGs）。
這種不同類型細胞比例的變化與鼠MIA疾病模型類似。作者還用CTIP2標記dExN，用SATB2標記上層興奮性神經元（upper-layer Exciatory Neurons, uExN），發現雖然Hyper-IL-6處理前后dExN的數量未見顯著差異，但uExN數量顯著增加，且分析二者沿皮質層類似區域的分布顯示，二者相對表達的位置有輕微的差異，這種異常提示神經元遷移或成熟缺陷，這些缺陷也在MIA疾病的腦解剖觀察中也存在（原文圖3）。
原文圖5 Hyper-IL-6處理后單細胞差異表達基因及轉錄網絡的變化
原文圖6 Hyper-IL-6處理后背側前腦類器官在細胞、分子層面的變化示意圖
3. 單細胞RNA測序揭示了MIA疾病模型腦類器官中細胞類型的特異性改變
作者推測，腦類器官中的RGs中可能會對Hyper-IL-6產生細胞特異性應答。通過單細胞RNA測序，發現Hyper-IL-6處理會導致興奮性譜系神經元向早期祖細胞類型轉變，進一步通過差異化表達基因和富集分析，揭示了Hyper-IL-6誘導的細胞類型特異性轉錄改變主要包括：免疫反應相關基因的上調和vRGs蛋白翻譯相關基因的下調，這與之前的動物和體外MIA模型上觀察到的結果一致。
此外，作者還在腦類器官的MIA模型中發現了在動物MIA模型研究中未見報道的差異化表達基因，主要是NR2F1。作者推測這可能是人的物種特異性的影響，可能與人類流行病學研究特別相關，所以進一步說明該MIA人腦類器官模型是對過往MIA模型的必要擴展。
三、編者點評：
該文提供了一種正常類器官運用的新思路，即利用疾病造模方法誘導出相關的類器官疾病模型，可能可以在一定程度上克服動物模型與人體之間的物種特異性問題，是對動物疾病模型的必要補充。
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參考資料：
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