转录组学与代谢组学分析揭示钴诱导的人皮质类器官线粒体代谢紊乱

《Toxicology》：Transcriptomic and Metabolomic Analyses Reveal Cobalt-induced Mitochondrial Metabolic Alterations in Human Cortical Organoids

　　

全球向碳中和能源系统的转型推动了钴（Co）需求的显著增长，使其成为锂离子电池和先进工业材料的关键组分。Co的广泛应用及其有限的生物消除性引发了对其潜在神经发育毒性的日益关注，然而其潜在机制在很大程度上仍未阐明。在此，研究人员将人诱导多能干细胞（iPSCs）来源的皮质类器官暴露于5 – 20 μM CoCl2中28天，并结合全转录组学、靶向代谢组学和微电极阵列（MEA）技术进行了研究。本研究结果表明，Co暴露诱导了剂量依赖性的神经细胞凋亡和HIF-1α（缺氧诱导因子-1α）稳定，同时抑制了神经元生成。多组学整合分析揭示了三羧酸（TCA）循环通量和线粒体能量代谢呼吸链组装的破坏，这可能与长链非编码RNA（lncRNA）-mRNA相互作用网络有关。这些分子和代谢干扰伴随着氧化磷酸化（OXPHOS）受损、线粒体功能状态降低以及ATP耗竭。突触免疫染色和MEA分析进一步证实，兴奋性突触形成受损且电生理功能受损。总之，这些发现为评估Co相关的发育神经毒性风险提供了机制基础，并强调了代谢通路表观遗传调控作为一种可能的人类相关模型影响因素的重要性。

论文解读：钴暴露对人皮质类器官发育神经毒性的多组学机制研究

研究背景与立项依据

随着全球碳中和能源转型的推进，钴（Co）作为锂离子电池及高端工业材料的核心组分，其需求量呈指数级增长。然而，Co在环境中的广泛分布及其在人体内的有限清除能力，使得环境、职业及医疗暴露（如金属关节植入）带来的健康风险日益凸显。流行病学研究显示，儿童群体对Co具有较高的吸收率，尿Co水平与神经发育迟缓呈负相关，且在采矿区及职业暴露人群中已观察到焦虑、抑郁及认知障碍等神经心理损伤。尽管已知Co离子（Co2?）可影响线粒体功能并诱导活性氧产生，但其导致神经发育毒性的深层分子机制，尤其是在人类特定发育阶段中的作用路径仍不明确。特别是长链非编码RNA（lncRNA）在重金属神经毒性中的调控作用及其与人类特异性代谢网络的关联尚未被系统阐明。为此，研究人员利用人诱导多能干细胞（iPSCs）衍生的皮质类器官模型，旨在从多组学层面解析Co诱导的发育神经毒性机制。该研究成果发表于《Toxicology》期刊。

关键技术方法概述

本研究主要采用了人iPSCs定向分化为皮质类器官的三维培养技术，构建了模拟人脑早期发育的体外模型。研究人员利用全转录组测序技术（Whole?transcriptomics）系统性分析了mRNA与lncRNA的表达谱及互作网络。同时，结合靶向代谢组学（Targeted?metabolomics）对能量代谢相关的小分子代谢物进行了定量检测。此外，通过微电极阵列（MEA）记录了类器官的场电位变化以评估其功能活性，并利用免疫荧光染色技术观察了细胞凋亡、细胞类型比例及突触形成情况。

研究结果

Construction and profiling of cortical organoids

研究人员首先成功构建了人iPSC来源的皮质类器官。通过明场成像观察，类器官在培养过程中体积逐渐增大并形成典型的神经花环结构。至第56天，类器官呈现出多层组织结构，包含SOX2阳性的神经祖细胞（NPCs）和TBR2阳性的中间祖细胞（IPCs），并表现出神经元成熟的标志物，证实了该模型能够有效模拟人类皮层的早期发育特征，适用于后续的毒性测试。

Chemical

在实验设计方面，研究人员选用六水合氯化钴（CoCl₂·6H₂O）作为染毒试剂，将其溶解制备成储备液。在类器官成熟阶段，分别给予5、10和20 μM的CoCl₂处理28天，以模拟不同剂量的慢性Co暴露环境。

Discussion

研究发现，Co暴露导致了皮质类器官中NPCs、IPCs及成熟神经元比例的显著降低，并伴有神经元分化的受阻。多组学数据整合分析表明，这种细胞构成的变化与代谢通路的破坏密切相关。具体而言，Co暴露扰乱了三羧酸（TCA）循环的通量，并影响了线粒体呼吸链的组装。这种代谢紊乱并非随机发生，而是受到特定的lncRNA?mRNA相互作用网络的调控。研究人员观察到，Co暴露引起了HIF?1α的稳定和氧化磷酸化（OXPHOS）功能的受损，进而导致线粒体膜电位下降、ATP合成减少以及活性氧水平的升高。这些分子层面的改变最终在功能层面表现为突触形成的缺陷和神经电生理活动的异常。

Conclusion

综上所述，通过对人皮质类器官进行表型、转录组?代谢组联合分析及神经生理学记录，本研究证实Co暴露可通过干扰lncRNA?mRNA调控网络，破坏TCA循环和线粒体呼吸链功能，从而导致能量代谢危机和氧化应激，最终诱发神经细胞凋亡、分化抑制及突触功能障碍。该研究不仅阐明了Co诱导发育神经毒性的潜在分子机制，也为评估环境污染物对人类大脑发育的风险提供了重要的实验依据和理论支持。

Ethics approval

本研究已获得四川大学华西医院伦理委员会的批准，所有涉及人诱导多能干细胞（hiPSCs）的实验均按照国家人类遗传资源管理条例及干细胞临床研究管理规定进行。

CRediT authorship contribution statement

Xiaobo Cen与BU Qian负责研究的监督、资源调配、项目管理、资金获取及概念构思。Xinhua Guo与Hao Li主要负责原稿撰写、方法论建立及数据分析。Yan Huang、Zhiqiu Wang、Lujun Zhao等人参与了验证与数据整理工作。

Declaration of Competing Interest

作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系。

Acknowledgements

本研究得到了国家自然科学基金（T2350007）、四川省科技计划项目（24NSFSC0707）及四川大学华西医院学科卓越发展1·3·5工程项目（ZYGD23011）等资助。