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为解决HMOs对神经发育的直接作用机制不清的问题，研究人员利用人皮质类器官模型，开展了HMOs对神经发育影响的研究，结果表明HMO处理可剂量依赖性地促进神经突生长和突触发生，蛋白质组学分析揭示了与神经分化、突触成熟及细胞骨架重塑相关蛋白的上调，这为理解早期营养对大脑发育的深远影响提供了新见解。
生命最初的1000天，是大脑发育的一个关键窗口期，此期间的营养状况对神经发育轨迹有着深远影响。在生命早期获得最佳的营养支持，被认为是奠定一生认知健康的基础。在众多营养成分中，人类母乳因其无可比拟的复杂性而被视为“液体黄金”。母乳中含量第三丰富的固体成分——母乳低聚糖，是近年来备受关注的生物活性分子。这些复杂的碳水化合物虽然大部分不能被婴儿直接消化，却被公认为在塑造肠道菌群、调节免疫系统和肠道-脑轴信号传导中扮演着关键角色。然而，一个核心问题依然悬而未决：除了通过肠道菌群间接发挥作用，母乳低聚糖是否能够直接影响婴儿正在飞速发育的大脑本身？鉴于新生儿大脑组织难以获取，这一问题在人类系统中一直难以直接验证，其确切的分子机制也模糊不清，这构成了早期神经发育研究中的一个重要空白。
为了回答这个关键问题，来自加州大学圣地亚哥分校集成空间干细胞轨道研究中心的Alysson R. Muotri和Lars Bode团队，在《Biochemistry and Biophysics Reports》期刊上发表了一项开创性的研究。他们绕过了伦理和技术的限制，利用前沿的干细胞技术，构建了能够模拟早期人脑发育的皮质类器官模型，首次在人类神经细胞水平上，直接探究了母乳低聚糖对神经发育的直接影响。
为了开展这项研究，研究人员采用了几个关键技术方法。首先，他们从诱导多能干细胞出发，通过一个分阶段（神经诱导、神经前体细胞增殖、神经元分化）的半引导分化方案，生成了人皮质类器官。其次，从健康捐赠者的母乳中提取并纯化了一个包含超过200种不同结构、具有代表性组成的混合母乳低聚糖样本，用于处理培养至三个月的成熟类器官。最后，研究通过免疫荧光染色结合高分辨率三维成像，定量分析了类器官中的突触密度和神经突体积；并利用基于质谱的蛋白质组学技术，全面分析了HMO处理后类器官的蛋白质表达谱变化，以揭示其作用背后的分子机制。
3.1. 暴露于HMOs的iPSC来源皮质类器官的表征
研究人员首先建立了稳定的人皮质类器官模型，并通过关键标志物（如FOXG1, MAP2, SOX2, PAX6）的免疫荧光染色证实了其正确的皮质神经元身份。随后，他们用三种浓度（10、50、100 μg/mL）的混合HMOs处理了三个月大的类器官，持续一个月。结果显示，处理并未导致类器官直径发生一致的显著变化，但为后续的功能和分子分析奠定了基础。
3.2. 暴露于人类母乳低聚糖可诱导皮质类器官的突触发生和神经突生长
这是本研究的核心发现之一。研究人员通过共聚焦显微镜对类器官切片进行三维成像，并利用专业软件量化了兴奋性突触前蛋白VGLUT1和突触后蛋白HOMER1在神经突（MAP2标记）上的共定位点（即成熟突触）。分析结果清晰地表明，HMO处理以剂量依赖的方式显著促进了突触发生和神经突生长。在两种不同的细胞系来源的类器官中，50 μg/mL的HMO处理使突触数量大约增加了一倍，而100 μg/mL的处理效果更为显著。同时，神经突的总体积也随着HMO浓度的增加而显著增大。这些数据直接证明了HMOs具有促进人类神经元网络连接和复杂化的能力。
3.3. 暴露于HMOs的皮质类器官的蛋白质组
为了深入理解HMOs如何发挥上述作用，研究团队对处理后的类器官进行了全局蛋白质组学分析。他们总共鉴定出了7940种蛋白质，其中超过6000种在处理组和对照组间存在显著差异。主成分分析显示，不同HMO浓度的处理组能够与对照组区分开来，且这种区分在某种程度上具有剂量依赖性和细胞系特异性。
3.4. 蛋白质组谱分析表明跨神经发育通路的HMO反应具有谱系和剂量特异性
进一步对神经元相关蛋白的分析发现，HMO处理上调了与突触成熟、神经元分化、细胞骨架重塑等过程相关的一系列蛋白质。例如，在KOLF细胞系来源的类器官中，高浓度HMO上调了神经元成熟标记物烯醇化酶2、细胞骨架蛋白β-微管蛋白TUBB2B以及参与神经电活动的钠钾泵亚基ATP1A3。而在WT83细胞系来源的类器官中，则观察到与神经前体细胞维持（如NR2E1）、皮层身份（FOXG1）以及后期星形胶质细胞分化（如GFAP, APOE）相关蛋白的上调。这些结果表明，HMOs能激活广泛的神经发育程序，但其具体响应模式存在个体遗传背景的差异。
3.5. 暴露于HMOs的皮质类器官的蛋白质组学分析揭示mRNA剪接通路的上调
一个意外的发现是，蛋白质组学数据在两种细胞系中都显著富集到了与“mRNA剪接”相关的通路。研究人员发现，多种剪接调节因子（如SRSF1, RBM39, NOVA1, HNRNP家族成员）以及剪接体核心成分（如LSM3）的蛋白水平在HMO处理后上调。其中，热休克蛋白HSPA8和LSM3是唯一在两个细胞系的高剂量处理组中都一致上调的蛋白。这一发现提示，HMOs除了直接影响已知的神经发育蛋白表达外，还可能通过调控RNA的转录后加工，更深层次地塑造神经元的蛋白质组，从而影响其发育命运。
综合以上结果，本研究得出了明确且重要的结论：人类母乳低聚糖能够直接作用于发育中的人类神经元，剂量依赖性地促进突触形成和神经突生长，从而增强神经网络的连接性。蛋白质组学证据进一步表明，这种促进作用伴随着与神经元分化、突触成熟、细胞骨架重组以及mRNA剪接调控相关蛋白网络的广泛上调。这项研究首次在人类细胞模型上为HMOs的直接神经营养作用提供了实验证据，将以往在动物模型和相关性研究中观察到的现象，推进到了机制探索的细胞分子水平。
在讨论部分，作者强调了本研究的多重意义。首先，它填补了HMOs在人类神经发育研究中“机制不清”的空白，为其作为关键发育营养素提供了新的理论支撑。其次，研究揭示的个体遗传背景对HMO响应的差异性（即不同iPSC细胞系对同一浓度HMO的蛋白质组响应不同），暗示了母乳中HMOs的天然多样性可能是进化上与婴儿个体特质相匹配的，这为理解母乳喂养的个性化益处提供了新视角。最后，该研究也为利用脑类器官这类体外模型研究营养与大脑发育的互作开辟了新路径。当然，作者也指出了本研究的局限性，例如使用的是混合HMOs，无法确定具体是哪种结构（如唾液酸化或岩藻糖基化HMO）在起主导作用；且体外模型的暴露条件与婴儿体内真实的血脑屏障穿透和局部浓度可能存在差异。这些都为未来研究指明了方向，包括解析特定HMOs单体的作用、结合血脑屏障模型等。
总之，这项研究如同一把钥匙，打开了理解母乳中神秘成分如何直接雕琢婴儿大脑发育的一扇新大门。它不仅深化了我们对“生命早期营养决定长远健康”这一命题的科学认知，也为未来开发更贴近母乳、更能支持神经发育的婴儿营养配方提供了重要的生物学依据和筛选模型。
