《Advanced Functional Materials》：Region-to-Region Unidirectional Connection In Vitro Brain Model for Studying Directional Propagation of Neuropathologies
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本研究开发了一种体外区域间单向连接脑模型，通过时序性种植与机械开口促进脑类器官轴突定向生长，成功重构了神经信号与病理蛋白（Aβ、Tau、α-synuclein）的单向传播路径。该模型为研究神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病）的定向扩散机制提供了创新平台，填补了现有双向连接模型在生理相关性上的空白。
研究背景
大脑区域间通过长距离投射神经元建立单向连接，这种结构性方向性不仅支撑认知、记忆等正常脑功能，更决定了神经退行性疾病中病理蛋白的传播路径。现有脑类器官连接模型多形成双向连接，难以模拟体内单向传播特征。本研究旨在构建具有结构性和功能性单向连接的体外脑模型，以揭示神经病理定向传播机制。
研究方法
脑类器官制备与定向改造
使用H9人胚胎干细胞培养脑类器官至35天（DIV 35），通过机械开口暴露类器官内部轴突，并利用胶原基质各向异性引导轴突定向延伸。采用时序种植策略（左侧类器官提前嵌入水凝胶）形成从开口类器官指向未开口类器官的单向神经连接。
单向连接验证体系
- 1.
电生理检测：采用双探针神经电极记录钾离子（KCl）刺激下双侧类器官的电信号传导
- 2.
神经炎症传播：通过脂多糖（LPS）/γ-干扰素（IFN-γ）激活特定区域小胶质细胞，观察炎症因子定向扩散
- 3.
病理蛋白传输：使用荧光标记的Aβ、Tau、α-synuclein检测蛋白在连接通路中的转运方向
核心发现
结构性单向连接的形成
机械开口显著促进神经突生长（DIV 65时神经突长度增加3倍），且突触密度在接近未开口类器官的通道出口区域最高（图3n）。神经突沿微通道轴向高度有序排列（图3o），形成从开口类器官指向未开口类器官的定向连接。
功能性单向传导验证
电生理记录显示：刺激开口类器官时，未开口类器官出现同步放电（图4b,d,e）；反向刺激时信号传导中断（图4c,f,g）。交叉相关分析证实神经信号仅沿开口→未开口方向传播（图4h-k）。
神经炎症定向扩散
当在开口类器官侧激活小胶质细胞时，炎症反应（基质收缩、类器官体积缩小）双向扩散；而未开口侧激活时炎症局限在原位（图5i,k）。小胶质细胞激活后分泌基质金属蛋白酶-9（MMP-9）水平显著升高（图5g），且谷氨酸转运体SLC1A3表达上调导致细胞外谷氨酸浓度下降（图5o）。
病理蛋白定向传输
荧光标记实验证实Aβ、Tau、α-synuclein仅沿开口→未开口方向传输（图6c-e），反向传输几乎为零（图6f-h）。转录组分析发现Tau蛋白顺向传输激活MAPK信号通路（hsa04010）、钙信号通路（hsa04020）等8个基因集（图6l），而逆向传输导致4个基因集下调（图6m）。
模型优势与意义
本研究首次在3D脑类器官模型中实现结构性及功能性单向连接，克服了传统组装体（assembloid）双向连接的局限性。该平台能模拟神经退行性疾病中病理蛋白沿神经通路定向传播的关键过程，为阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）等疾病的机制研究和药物筛选提供高度生理相关的实验系统。
