《Journal of Neurochemistry》：Advances in hiPSC-Derived Brain Organoids as a Model to Study Neuroinflammation in Alzheimer's Disease
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这篇综述重点阐述了人类诱导多能干细胞（hiPSC）源性脑类器官作为前沿模型在研究阿尔茨海默病（AD）神经炎症机制中的核心作用。文章回顾了该模型的演进，特别是小胶质细胞的整合如何让我们在更贴近临床的系统中，深入理解神经胶质细胞的活化、细胞间对话（如小胶质细胞-星形胶质细胞互作）以及载脂蛋白E（APOE）基因型等风险因素如何影响Aβ和tau病理，并探讨了类器官和组聚类器官在AD药物临床前筛选中的应用潜力与当前挑战。
利用hiPSC源性脑类器官研究阿尔茨海默病神经炎症的进展
1 引言
神经炎症在包括阿尔茨海默病（AD）在内的多种神经退行性疾病中扮演着基础性角色。作为中枢神经系统（CNS）的主要防御反应，神经炎症在疾病的不同阶段可能具有保护性或有害性。人类诱导多能干细胞（hiPSC）技术的出现是一个里程碑，它使得能够以患者特异性的方式直接探索疾病机制。更进一步，hiPSC源性脑类器官的发展，能够模拟人类中枢神经系统的特定方面，再现与皮质环境相关的病理特征，极大地扩展了我们对AD中神经炎症的理解。本综述将探讨AD类器官模型的演进，重点关注大脑主要免疫监视细胞——小胶质细胞的整合，并总结关于胶质细胞活化以及小胶质细胞与其他中枢神经系统细胞之间交互作用如何影响AD进展的最新发现，最后讨论hiPSC源性类器官作为AD药物筛选临床前模型的潜力。
1.1 hiPSC源性脑类器官
人类多能干细胞（PSCs），包括hiPSC，具有自我更新能力并能分化为所有三个胚层来源的细胞。hiPSC通过特定转录因子（OCT4， SOX2， KLF4和c-MYC，即山中因子）的重编程获得，这规避了人类胚胎干细胞（hESCs）涉及的伦理问题。脑类器官重现了人类大脑发育的早期阶段，主要包括神经外胚层来源的细胞群体，如神经祖细胞、神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞。尽管小胶质细胞起源于中胚层祖细胞，但根据分化策略的不同，它们也可能自发出现在类器官中，或者通过共培养或在类器官成熟后整合加入。hiPSC还能被诱导生成具有不同区域特性（如前脑、中脑、后脑等）的类器官，而通过更复杂的发育信号引导，可以模拟特定脑区的关键方面。近年来，将不同脑区来源的类器官融合形成的“组聚类器官”，能够重建长程神经环路以及神经与非神经组织（如肌细胞）间的相互作用。另一重大进展是血管化脑类器官的发展，这为克服营养扩散、结构生长限制以及更真实地模拟血脑屏障（BBB）功能，从而研究神经炎症和神经退行性过程，迈出了关键一步。
1.2 阿尔茨海默病
AD是痴呆症的主要病因，全球患者超过3200万。其典型病理特征包括细胞外由淀粉样蛋白-β（Aβ）组成的斑块和细胞内由微管相关蛋白tau形成的神经原纤维缠结（NFTs）。在不到5%的病例中，AD由淀粉样前体蛋白（APP）或早老素（PSEN）基因的常染色体显性突变引起，称为家族性AD（fAD）；绝大多数为晚发性或散发性AD（sAD），其病因涉及衰老、载脂蛋白E ε4等位基因（APOE4）以及环境和生活方式等多种风险因素。进行性认知衰退与突触密度丧失呈正相关，可溶性Aβ和tau毒性物种引发的慢性突触功能障碍是神经退行性变的关键机制，而神经炎症被认为是AD相关神经退行性变和突触丧失的关键因素。
1.3 阿尔茨海默病中的神经炎症
神经炎症是中枢神经系统对外部或内部损伤的防御反应。在AD早期，Aβ和NFTs的异常积累导致小胶质细胞从稳态转变为炎症表型，形成一种独特的“疾病相关小胶质细胞”（DAM）表型。小胶质细胞最初可能通过吞噬细胞碎片和淀粉样聚集体发挥保护作用，但随着疾病进展，它们可能转变为神经毒性状态。髓样细胞触发受体2（TREM2）似乎参与小胶质细胞的有益效应，促进其对损伤相关分子的识别、存活和向淀粉样斑块迁移，从而有利于Aβ清除。一些TREM2变体（如R47H）通过影响小胶质细胞功能而增加AD风险。神经炎症的进程取决于遗传和环境易感性，这决定了疾病的严重程度个体差异。
2 hiPSC作为研究AD神经炎症机制的工具
尽管人和小鼠小胶质细胞有核心相似性，但人类小胶质细胞的基因特征与小鼠不同，在衰老和AD中经历的变化（如与外周细胞趋化吸引相关的转录改变、APOE上调以及小胶质细胞运动性降低）无法在小鼠模型中完全重现。因此，hiPSC源性模型对于研究人类细胞表型和神经炎症机制至关重要。
2.1 在AD类器官中解析神经免疫交互作用
神经炎症的传统观点（集中于孤立的小胶质细胞活化）已被更复杂的模型取代，该模型包括了中枢神经系统的其他常驻细胞，并将小胶质细胞-星形胶质细胞信号传导视为神经退行性变的关键机制。在AD中，星形胶质细胞的启动可增强小胶质细胞的Aβ清除，这一机制受APOE基因型影响并在脑类器官中得到验证。星形胶质细胞可以调节DAM基因特征，上调小胶质细胞中TREM2和APOE等蛋白的表达。然而，星形胶质细胞也可能对小胶质细胞功能产生有害影响，例如在AD类器官中，星形胶质细胞产生的干扰素-γ（IFNγ）可能抑制小胶质细胞的抗氧化通路，增加其对氧化应激的敏感性并促发促炎状态。少突胶质细胞功能障碍也与AD病理标志的出现有关。外周免疫细胞也参与了AD中的胶质细胞活化。例如，在皮质类器官微生理系统中，来自AD患者的单核细胞表现出强烈的炎症反应和增强的浸润能力，通过正反馈激活，与星形胶质细胞共同产生IL-1β和CCL3，从而触发类器官中的神经元凋亡。
hiPSC源性AD类器官表现出典型的AD神经炎症特征，包括炎症小体形成、氧化应激、小胶质细胞衰老和过度的突触修剪。先天免疫信号通路在AD脑类器官中被激活，触发凋亡通路并损害神经发生。另一方面，有益的胶质细胞效应也在此模型中被观察到。例如，在Aβ处理的类器官中，小胶质细胞可转变为DAM样表型，迁移并减轻淀粉样沉积，提高神经元存活率。在长期培养的类器官中，星形胶质细胞对小胶质细胞的支持促进了小胶质细胞的存活和功能，从而增强了突触密度并降低了tau蛋白磷酸化。
2.2 揭示APOE在AD类器官中的影响
APOE基因型是sAD的主要遗传风险因子。APOE3是最普遍的异构体，被认为对AD呈中性。APOE2具有保护作用，而APOE4则显著增加患病风险、降低发病年龄并加重病理严重性。在生理条件下，星形胶质细胞是大脑APOE的主要来源，但在应激条件下，神经元和小胶质细胞也可诱导APOE合成。hiPSC源性类器官结合基因编辑方法，有助于研究人类APOE变体的影响。
研究表明，纯合APOE4与APOE3相比，会导致神经元和胶质细胞的转录改变。神经元表现出突触过度激活，而星形胶质细胞和小胶质细胞则表现出吞噬功能受损。在Aβ产量升高的APP重复类器官中，APOE4基因型会加剧Aβ和磷酸化tau（p-tau）的积累，这可能是由于胶质细胞清除能力降低所致。APOE4基因型通过降低TREM2水平损害小胶质细胞的吞噬作用，导致小胶质细胞无法识别淀粉样斑块附近营养不良神经元外露的磷脂酰丝氨酸，从而减少Aβ摄取。在选择性表达APOE4的嵌合类器官中，在神经元和/或星形胶质细胞中表达APOE4足以诱导神经元脂质积累，而当两者共表达时显示出协同效应。然而，神经元p-tau的明显增加需要两种细胞类型都表达APOE4。用胆固醇合成抑制剂处理可部分逆转这种积累，表明胆固醇代谢是AD相关tau病理的靶点。APOE4星形胶质细胞诱导神经元过度兴奋，导致活性氧（包括过氧化脂质）增加，可能引发铁死亡。APOE4还会降低脑组聚类器官中神经元和小胶质细胞内自噬相关分子的水平。
hiPSC衍生模型也有助于研究保护性APOE变体，如APOE2和罕见的Christchurch变体（APOECh； R136S）。与APOECh小胶质细胞共培养可降低PSEN1突变类器官中的p-tau水平。APOECh小胶质细胞对Aβ效应不那么敏感，能够保持清除tau所需的吞噬活性，并对Aβ驱动的脂质过氧化、铁死亡和细胞因子产生具有抵抗力。在AD类器官中，该变体主要在小胶质细胞中表达，并增强β-连环蛋白/Wnt信号传导，从而抑制tau磷酸化。
3 利用组聚类器官扩展对AD的理解
组聚类器官代表了三维模型的重大进步，它们能够组合不同的细胞类型和脑区，形成神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞等细胞建立空间组织和功能整合相互作用的环境，更接近人脑生理学。
将来自AD患者的脑类器官与hiPSC衍生的诱导小胶质样细胞（iMGs）连接，可以创建有价值的疾病建模工具。这些组聚类器官成功地重现了关键的AD特征。在此系统中，iMGs呈现出DAM表型，表现出吞噬能力降低和基因表达改变，与慢性神经炎症一致。
组聚类器官达到的组织结构程度还可以检测细胞间通讯通路。例如，在由神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞组成的人类组聚类器官中，通过CRISPR干扰筛选发现，糖原合成酶激酶3β（GSK3β）在神经元高活动性下抑制了核因子E2相关因子2（NRF2）介导的抗氧化应激保护反应。这种效应仅在三维环境中观察到，在二维单一培养中不存在。
组聚类器官技术的另一个前沿是生成血管化系统。例如，将皮质类器官和血管类器官融合，使得在SARS-CoV-2感染后，组聚类器官出现胶质细胞活化，并表达高磷酸化tau和β-淀粉样蛋白斑块，这与阿尔茨海默病病理一致。另一项研究使用来自AD患者的hiPSC生成血管化组聚类器官，以研究经典AD风险变体APOE4的影响。与含有APOE3的组聚类器官相比，含有APOE4的组聚类器官显示出反应性星形胶质细胞标志物（GFAP， STAT3， C3和S100β）水平升高。此外，含有APOE4星形胶质细胞的组聚类器官还表现出过氧化氢和细胞间一氧化氮液滴升高、溶酶体功能障碍以及小胶质细胞依赖性tau磷酸化增加。
4 改进类器官模型以开发新型AD疗法
AD类器官的一个潜在应用是开发疾病修饰疗法。一些研究旨在通过使用临床批准的治疗方法来验证该模型用于药物测试。例如，在血管化类器官中使用抗Aβ单克隆抗体Lecanemab的测试表明其临床效应得到了重现，显示出淀粉样蛋白聚集显著减少，同时小胶质细胞对Aβ的吞噬作用增强。此外，还观察到内皮细胞活化，提示血管完整性受损，这是Lecanemab的副作用。同样，脑类器官可以为新化合物的作用机制提供见解，有助于解决AD药物开发中的转化挑战。例如，在家族性AD类器官中，用β-和γ-分泌酶抑制剂治疗可减少Aβ和tau负荷，并降低细胞凋亡。针对突触异常的药物筛选方法也在脑类器官中得以实现。在家族性AD类器官中的电生理分析显示神经网络改变，并证实旨在增强对突触外N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）型谷氨酸受体抑制的合成衍生物NitroSynapsin比美金刚更能有效逆转神经元过度活跃。
AD治疗的不同方面都可在类器官中研究，包括神经精神机制。针对AD神经炎症的药理学方法也在三维hiPSC模型中进行了评估，以表征小胶质细胞和其他免疫细胞的反应。例如，来自轻度认知障碍患者的小胶质细胞在使用抗炎药米诺环素治疗后，细胞因子产生的减少比来自AD患者的小胶质细胞更显著。
已有研究尝试扩大类器官的药物筛选规模。然而，大多数类器官的药理测试受限于样本量小。此外，hiPSC细胞系在tau磷酸化、类器官分泌的Aβ和APOE水平方面表现出变异性。类器官在细胞组成和成熟度、细胞结构、分化模式方面也可能存在差异，这些因素阻碍了批次间的可重复性。另一个相关难点是脑类器官的细胞成熟度有限。hiPSC源性类器官表现出的表型更类似于胎儿和产后阶段，而非成年脑组织。细胞在模型中的成熟是渐进式的，需要获得复杂的细胞结构。另一方面，在较长的培养期间，细胞活力可能受到损害，导致较大类器官中出现坏死核心，使其长期维持具有挑战性。诱导类器官衰老的替代方法已经出现，以更好地重现AD特征，例如与年龄相关的炎症（“炎性衰老”）和神经退行性变。鉴于这些局限性，以互补的方式使用体外和体内模型被认为是表征新AD治疗候选药物的宝贵策略。
在此背景下，将类器官移植到小鼠脑中出现为克服这些系统固有关键限制的替代策略。这种方法能够在复杂的生理环境中研究人类细胞，包括增加的细胞异质性、血管化以及与宿主组织提供的感觉和周围信号的整合。值得注意的是，这种策略促进了更多样化和成熟胶质细胞群的产生，包括人类大脑特有的星形胶质细胞亚型。此外，它还允许衍生具有免疫活性的人类小胶质细胞，从而提供一个适合评估小胶质细胞对损伤反应的体内神经免疫类器官模型。
5 结论
hiPSC源性脑类器官模型自出现以来已取得长足进步。整合小胶质细胞和血管系统的策略增强了其复杂性，允许在更具代表性的人类大脑体外模型中研究细胞间相互作用。这种复杂性的增加使得依赖于多细胞组织的、在二维系统中无法捕捉的神经炎症相关表型得以出现。将患者源性脑类器官与基因工具结合，能够阐明患者特异性表型，使得使用比小鼠系统更具转化相关性的个性化医疗方法成为可能。这些方法也有利于阐明神经炎症相关机制，这些机制可受环境和内在因素（如APOE异构体）的调节。
神经炎症被认为是AD的一个标志，很可能促进疾病进展。小胶质细胞在此过程中发挥着至关重要的作用，因为它们的功能状态直接影响蛋白质聚集、突触损伤和神经元死亡。小胶质细胞还通过与其他常驻细胞（如星形胶质细胞）的相互作用影响大脑稳态，从而协调AD的病理特征。如上所述，多项研究使用hiPSC源性脑类器官（被认为是有前途的三维工具）研究了小胶质细胞活化及其调节。在AD的背景下，调节小胶质细胞活化以促使其向更具神经保护性的表型转变，可能改善疾病结局。这些发现共同凸显了hiPSC源性脑类器官作为宝贵模型，对于增进我们对潜在疾病机制的理解，并最终推动针对AD相关神经炎症的治疗开发具有重要意义。
尽管该领域取得了重大进展，包括将小胶质细胞和内皮细胞整合到组聚类器官系统中，以及通过异种移植在细胞成熟和整合方面取得的改进，但进一步的方法学增强仍是必要的。例如，提高可重复性对于最小化批次间差异至关重要，因为这种差异会损害数据可比性并削弱实验结果的可靠性。此外，可扩展性仍然是一个主要挑战，因为当前方法通常产生数量较少且异质性明显的类器官，限制了它们在大规模研究中的应用。因此，提高可扩展性对于提升实验通量和确保生产均匀的类器官结构至关重要。克服这些问题将显著增强类器官和组聚类器官平台在AD药物发现和高通量筛选中的稳健性。
