編者按
阿爾茲海默癥（AD）是一種無法治愈的進展性的神經退行性疾病，其病理機制復雜，缺乏有效的體外模型，因此，開發更為有效的人體外細胞AD模型（尤其是散發性AD）有助于AD的藥物研發。
今天，我們特別關注一項貝克曼研究所研究團隊于2021年8月發表在《Advanced Science》的經典研究——Modeling Sporadic Alzheimer’s Disease in Human Brain Organoids under Serum Exposure，該研究報告了利用hiPSCs（人類誘導多能干細胞）衍生的大腦類器官，模擬體外sAD（散發性阿爾茨海默病）模型，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、細胞內的磷酸化Tau蛋白纏結以及年齡相關的記憶衰退。AD主要分為家族性AD以及散發性AD，其中家族性AD約占5%，而散發性AD約占95%。而目前對于AD的藥物研發基本以失敗告終，可能的原因在于AD發病機制的復雜（尤其是散發性AD）、藥物靶點的單一（Aβ）以及動物模型與人之間的差異。
因此，開發更為有效的人體外細胞AD模型（尤其是散發性AD）有助于AD的藥物研發。近幾年因其人來源、易于獲得以及能夠產生和疾病相關的細胞類型等特性，人誘導多能干細胞（hiPSCs）被用于各種疾病建模。其中iPSCs誘導的類腦器官由于其與人腦器官細胞組織的相似性，被廣泛用于神經系統疾病的建模。
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發病機制中的關鍵因素。研究人員發現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、突觸損失以及神經網絡功能的失衡。該研究建立的類腦器官散發性AD模型為未來的AD機制研究以及治療藥物的開發提供平臺。
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誘導為類腦器官，為了保證實驗良好的重復型以及一致性，研究人員于20-40天間挑選具備良好的神經花環樣結構的類腦器官用于后續的實驗。
進一步鑒定發現，在50-60天的類腦器官上觀察到神經元（TUJ+）、膠質細胞（GFAP+）以及皮質層結構（CTIP2+/SATB+），因為皮層是AD患者大腦中主要被影響的一個區域，因此以上結果表明，誘導的類腦器官具有皮層結構，同時含有神經元以及膠質細胞（AD病理相關的細胞類型），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）的表達誘導了Aβ樣病理的發生
研究表明，血腦屏障受損是AD發病的一個危險因素，血腦屏障受損會導致大腦處于血清暴露的狀態下，因此研究者探究血清暴露是否會誘導AD病理表型。
首先研究人員將類腦器官暴露于人類血清中，發現類腦器官中的Aβ水平明顯上調，且Aβ大部分是不可溶狀態的，進一步的免疫熒光染色以及電鏡結果觀察到類腦器官中有明顯的Aβ沉淀，以上結果表明血清暴露誘導了類腦器官的AD病理表型。
原文圖2 血清暴露通過增加BACE表達誘導了Aβ病理
3、血清暴露通過糖原合酶激酶3α/β(GSK3 α/β) 誘導腦類器官p-Tau表達升高
研究者進一步探究了血清暴露是否會導致Tau蛋白的磷酸化，免疫熒光染色以及WB的結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，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p-Tau病理
4、血清暴露誘導突觸丟失和神經網絡的損害
突觸丟失是AD的另一個關鍵特征，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活動的影響，結果發現血清暴露的類腦器官的神經明顯下調，表現為鈣信號顯著減少以及神經活動頻率也明顯降低。以上結果表明，血清暴露可以導致類腦器官突觸丟失，影響神經網絡活動。
原文圖4 血清暴露導致突觸喪失和神經網絡功能降低
5、血清暴露下腦類器官對復合治療的反應
研究人員對血清暴露的類腦器官進行單細胞RNA測序，結果發現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合治療的反應
三、編者點評
綜上所述，該研究使用iPSC誘導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提供了一個平臺。
作為健康美麗產業CRO服務開拓者與引領者、斑馬魚生物技術的全球領導者，環特生物搭建了“斑馬魚、類器官、哺乳動物、人體”四位一體的綜合技術服務體系，開展科研服務CRO、智慧實驗室建設和精準醫療三大業務。目前，環特類器官平臺已建立多種iPSC誘導的類器官培養平臺，歡迎有需要的讀者垂詢！
參考文獻
[1]C. C. Liu, T. Kanekiyou, H. Xu, G. Bu. Nat. Rev. Neurol. 2013, 9, 106.
[2]L. Zhang, C. Chen, M. S. Mak, J. Lu, Z. Wu, Q. Chen, Y. Han, Y. Li, R. Pi, Med. Res. Rev. 2020, 40, 431.
[3]Y. Shi, H. Inoue, J. C. Wu, S. Yamanaka, Nat. Rev. Drug Discovery 2017, 16, 115.
[4]M. A. Lancaster, M. Renner, C. A. Martin, D. Wenzel, L. S. Bicknell, M. E. Hueles, T. Homfray, J. M. Penninger, A. P. Jackson, J. A. Knoblich, Nature 2013,501,373.