編者按

 創傷性腦損傷(TBI)是神經退行性疾病的主要環境風險因素，每年估計發生超過6000萬例。最近的研究表明TBI與神經毒性蛋白tau、TDP-43和β淀粉樣蛋白的病理性積聚有關，導致慢性創傷性腦病(CTE)、肌萎縮側索硬化(ALS)、阿爾茨海默病和其他癡呆癥等進行性神經退行性疾病。一次中度至重度的TBI會使患老年癡呆的風險增加4倍。

今天我們來分享一篇2024年4月4日由南加州大學凱克醫學院Justin K. Ichida團隊發表在Cell Stem Cell雜志（IF=23.9）上的一項最新研究——《KCNJ2 inhibition mitigates mechanical injury in a human brain organoid model of traumatic brain injury》，該研究開發了一種高強度超聲平臺來實施機械損傷，并利用腦類器官，揭示了神經元亞型在損傷易感性上的關鍵差異，并建立了一個監測不同人類遺傳背景下損傷反應的方法。抑制KCNJ2可能有助于減輕腦損傷后早期神經元死亡。

文章題目

KCNJ2 inhibition mitigates mechanical injury in a human brain organoid model of traumatic brain injury

雜志：《Cell Stem Cell》（IF=23.9）

發表時間：2024年4月4日

作者：Justin K. Ichida團隊

單位：南加州大學凱克醫學院

01、皮層類器官損傷與TBI相關的標志物

研究團隊首先使用高強度聚焦超聲波（HIFU）技術對誘導多能干細胞（iPSC）來源的腦類器官進行機械損傷，通過慢病毒轉染（SYN1::eGFP）標記興奮性神經元，成功模擬了TBI的關鍵病理特征，包括神經元死亡、tau蛋白磷酸化和TDP-43核輸出。

在對TBI的生物標志物進行檢測后，研究人員發現在受傷的皮層類器官中，磷酸化tau蛋白水平增加、神經元死亡，神經元的胞質中顯著聚集磷酸化的TDP-43。RNA測序結果和活細胞成像也驗證了，類器官出現與TBI一致的變化特征。

這些結果表明，通過HIFU損傷皮層皮層類器官，可以模擬TBI相關的生物標志物和疾病機制。 

02、深層神經元損傷后表現出增強的TDP-43功能障礙

隨后，研究人員對2,530個類器官細胞進行單細胞RNA測序發現，未接受損傷和深層損傷的神經元間差異表達的基因富集多種神經退行性疾病，最顯著的是肌萎縮性側索硬化癥。

利用人類iPSC腦類器官模型研究表明，在深層神經元中發生的TDP-43功能障礙，是神經元死亡的主要驅動因素，并且在肌萎縮側索硬化癥（ALS）和額顳葉癡呆（FTD）神經元中更為明顯。TDP-43功能喪失，導致深層興奮性神經元中許多潛在的TDP-43靶基因表達下調，這可能是機械損傷后TDP-43功能喪失的標志。

進一步分析發現，受損的深層興奮性神經元中，許多TDP-43靶向的基因出現明顯下調，提示機械損傷破壞了TDP-43的功能，隨后的免疫染色、mRNA以及蛋白結果驗證了這一點。在沒有損傷的情況下，用誘餌寡核苷酸治療誘導神經元死亡。該誘餌基于 TDP-43 的充分表征的高親和力核酸序列。在沒有損傷且細胞質TDP-43 升高的情況下，高濃度的這些寡核苷酸可能會進入細胞核，在那里它們可能會競爭性取代TDP-43偏離其正常目標，通過新生轉錄的剪接失調導致靶向毒性。

結果顯示，這一操作顯著提升了損傷后神經元TDP-43的核質比。這說明TDP-43功能障礙在損傷誘導的神經元死亡中起著重要作用，且其傾向于影響深層神經元。

03、抑制KCNJ2可減輕HIFU誘導的神經元死亡

利用全基因組CRISPR干擾篩選，作者鑒定了最佳的靶點KCNJ2。KCNJ2的遺傳敲除和小分子抑制均顯示出維持受損皮層類器官中神經元存活的效果。研究表明，抑制KCNJ2可以減輕HIFU引起的神經元死亡，降低p-Tau與總Tau比率。

KCNJ2通過調節Ca2+通量導致TDP-43功能障礙，而KCNJ2的抑制可以減輕這些過程，顯示了其在神經保護中的潛在作用。

對其作為治療的潛力至關重要的是，損傷后 1 小時對KCNJ2的小分子抑制足以改善神經元存活。這與當前藥物干預措施的治療窗一致，例如巴比妥類藥物，通常在人類TBI后 1-2 小時內給藥。KCNJ2抑制也可被視為對TBI急性風險較高的個體的預防性治療。

此外，通過在小鼠模型中進行控制皮層撞擊（CCI）實驗，研究人員驗證了KCNJ2抑制對TBI的保護作用。

研究發現，在小鼠腦損傷模型中，使用Kcnj2 反義寡核苷酸治療可顯著減少神經元TDP-43核質比和細胞質TDP-43在損傷部位的聚集。Kcnj2 反義寡核苷酸治療還降低了細胞死亡和星形膠質增多，減少了細胞質中的磷化TDP-43水平。

Kcnj2 反義寡核苷酸還減少了損傷部位附近的細胞死亡和星形膠質增多。研究顯示，Kcnj2抑制顯著減少了腦損傷后的TDP-43損傷和退行性反應。

這不僅揭示了TBI后大腦病理學的分子機制，而且還為開發新的治療策略提供了潛在的靶點——KCNJ2，這對于未來治療TBI及其相關神經退行性疾病具有重要意義。通過深入了解TBI如何與神經退行性疾病相互關聯，這項工作為未來的神經保護和修復策略提供了重要的科學基礎。

04、編者點評 

總體而言，這篇文章介紹了一個用于發現和驗證機械損傷修飾劑的人體類器官平臺。該損傷模型旨在彌合傳統體外系統和復雜高等生物之間的差距，提供可擴展且遺傳靈活的系統，以確定TBI急性和慢性影響的潛在疾病機制和治療方法。

研究人員發現 TDP-43 功能障礙是機械損傷后神經元死亡的關鍵驅動因素，并確定了深層興奮性神經元對 TDP-43 功能障礙的內在脆弱性。最后，在已建立的TBI小鼠模型以及攜帶導致ALS/FTD的突變的健康和患病類器官中，KCNJ2抑制可有效減輕損傷誘發的疾病過程，部分是通過損傷后胞質 Ca2+ 的神經保護性減少。

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參考文獻

SKCNJ2 inhibition mitigates mechanical injury in a human brain organoid model of traumatic brain injury: Cell Stem Cell