综述：利用诱导多能干细胞模型研究神经退行性疾病中的神经元-胶质细胞相互作用

《Bioscience Reports》：Using iPSC models to examine neuron–glia interactions in neurodegenerative diseases

　　

神经退行性疾病仍然缺乏有效或可及的疗法和干预措施，尽管其全球负担日益加重。临床上，这些疾病以进行性认知能力下降、行为改变和运动功能丧失为特征，这些均与神经元和突触的丧失或功能障碍相关。尽管传统上以神经元为中心，但越来越清楚的是，胶质细胞在维持和调节神经元与突触健康方面起着关键作用。越来越多的证据表明，胶质细胞失调通过异常突触吞噬、蛋白质清除受损、稳态支持受损、代谢功能障碍、慢性炎症、致病蛋白传播和细胞衰老等机制，参与了神经退行性疾病的发生和进展。因此，阐明神经元-胶质细胞相互作用的破坏如何导致神经元功能障碍，对于开发有效疗法至关重要。基于诱导多能干细胞（iPSC）的模型为在人类相关系统中研究这些相互作用提供了一个强大的平台。在此，我们将特别讨论通过在人iPSC中模拟神经元-胶质细胞相互作用所获得的、对神经退行性疾病机制的新见解。

1. 引言

神经退行性疾病，如阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）和原发性tau蛋白病，在老龄化人口中日益流行，由于其进行性、致残的临床结果以及缺乏任何有效干预或疗法，带来了重大的社会和经济负担。虽然每种神经退行性疾病都有其独特的临床表现和神经病理学特征，但包括蛋白质错误折叠和聚集、突触功能障碍、代谢障碍和神经炎症在内的共同标志在不同疾病中均有体现。

尽管神经退行性变以神经元和突触丢失为特征，但支持性胶质细胞对于维持神经元健康和稳态至关重要。虽然异常的胶质功能常被视为对神经元功能障碍的被动反应，但越来越多的证据表明，胶质细胞通过异常吞噬突触，或与疾病后期的慢性炎症或衰老相关的功能障碍，主动参与神经退行性疾病的发病机制和进展。因此，理解神经元和胶质细胞之间的相互作用对于揭示疾病进展的潜在机制和确定潜在治疗靶点至关重要。因此，细胞功能不应再仅仅考虑孤立的单个细胞类型，而应在与其环境和其他细胞类型相互作用的背景下进行考虑。

诱导多能干细胞（iPSC）模型彻底改变了该领域的研究，因为它们使研究人员能够复制与神经退行性疾病相关的特定细胞环境，从而深入了解细胞特异性表型，并精确模拟细胞-细胞相互作用，从而提高了研究人类疾病的细胞学准确性。事实上，虽然动物模型在揭示疾病机制方面至关重要，但由于物种间大脑结构、免疫反应和细胞相互作用的显著进化差异，针对神经退行性变的治疗干预措施的转化迄今为止大多不成功。尽管有合理的批评认为iPSC模型在其成熟度和胎儿样状态方面存在局限性，但它们已被一致证明能够在成人脑内重现关键的疾病相关表型，从而支持了其有效性和在研究神经退行性疾病中的应用。

在本次综述中，我们总结了当前聚焦于多种神经退行性疾病（AD、PD和原发性tau蛋白病，包括进行性核上性麻痹和额颞叶痴呆）中神经元-胶质细胞相互作用的iPSC文献。虽然本文强调了神经元-胶质细胞相互作用在神经退行性疾病发病机制中的重要性和相关性，但我们也指出了需要更多见解的关键领域，以及iPSC模型解决这些知识空白的潜力。

2. 阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease）

AD是最常见的神经退行性疾病，病理上以细胞外β-淀粉样蛋白（Aβ）斑块和由过度磷酸化tau蛋白组成的细胞内神经原纤维缠结的积累为特征。淀粉样蛋白病理被认为先于tau聚集，Aβ沉积从新皮质区域开始，然后扩散到大脑更深层结构。Tau病理以一种特定的时空模式进展。尽管显著的神经元丢失是临床症状的基础，但许多遗传和功能研究强调了胶质细胞在AD风险、发病和进展中的关键作用。然而，胶质功能障碍影响神经元健康并导致神经退行性变的机制尚不十分明确。

2.1 星形胶质细胞（Astrocytes）

星形胶质细胞是大脑中最丰富的胶质细胞，对于调节维持神经元健康至关重要的基本稳态过程至关重要。在AD中，尸检和啮齿动物模型均表明，星形胶质细胞反应性、神经炎症、线粒体和代谢功能障碍以及tau病理的传播与疾病进展密切相关。尽管有这些进展，我们对人类和疾病相关背景下神经元-星形胶质细胞相互作用的理解仍然有限。

2.1.1 炎症（Inflammation）

越来越多的证据表明，胶质细胞对致病蛋白的降解受损和慢性炎症是AD进展的关键因素。具体而言，聚集的tau和Aβ斑块已被证明通过直接和间接机制影响星形胶质细胞的反应状态及其支持神经元健康的能力。例如，神经元-星形胶质细胞共培养模型表明，暴露于Aβ的星形胶质细胞会破坏神经元兴奋性突触后电流和活力，释放改变神经元内在特性和网络活性的因子。然而，AD中神经元和星形胶质细胞之间的非细胞自主功能障碍很可能是双向的。来自散发性AD患者的iPSC神经元中腺苷受体1（A1R）信号通路的激活导致星形胶质细胞激活和炎症，随后引起共培养的健康对照神经元的突触功能障碍。用A1R拮抗剂DPCPX预处理AD iPSC神经元挽救了这些突触缺陷，突出了神经元-星形胶质细胞通信在加剧AD病理生理学中的相互性。

2.1.2 APOE基因型（APOE Genotype）

载脂蛋白E（APOE）是一种主要由星形胶质细胞分泌的胆固醇转运蛋白。人类APOE基因有三个主要的等位基因变体：?2、?3和?4，其中?4与最常见的?3同工型相比，显著增加了患AD的风险。这种风险可能是由于毒性功能获得和保护性功能丧失共同作用的结果。携带不同APOE等位基因变体的同基因iPSC系有助于在不同细胞类型（如神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞）中检查基因型的特定效应，同时保持相同的遗传背景。在Lin等人的研究中，携带APOE ?4等位基因的iPSC星形胶质细胞与其同基因?3对应物相比，表现出脂质代谢受损、Aβ₄₂摄取和清除减少以及胆固醇积累增加。同样，Zhao等人也表明，携带APOE ?4的iPSC星形胶质细胞脂化受损，在与神经元共培养时，支持神经元存活和突触发生的能力较差，而非同基因APOE ?3星形胶质细胞则表现更好。APOE基因型在星形胶质细胞中的影响也已在tau病理传播的背景下进行了探索。最近的研究利用iPSC模型检查了罕见的保护性APOE变体APOE Christchurch（APOE Ch）在携带早老素-1（PSEN1）突变的家族性AD（fAD）症状发展中的修饰作用。携带APOE ?3Ch变体的星形胶质细胞在暴露于炎症刺激时对反应性更具抵抗力，并且与携带PSEN1 H163R或A246E突变的神经元共培养时，抑制了tau的传播。有趣的是，当与携带PSEN1突变的突变神经元共培养时，携带APOE ?3Ch基因型的iPSC小胶质细胞也观察到类似的神经保护作用。

2.1.3 病理的细胞间传播（Cell-to-cell spread of pathology）

星形胶质细胞越来越多地被认为是AD中致病蛋白细胞间传播的积极参与者。共培养模型表明，iPSC星形胶质细胞主动内吞神经元来源的tau和Aβ聚集体，但未能降解它们，随后将致病物质分泌到邻近的健康细胞中。神经元-星形胶质细胞三维（3D）共培养进一步证实了这些发现，揭示了有毒tau寡聚体在连接的神经元-星形胶质细胞3D共培养网络中的有效传播。单细胞转录组学和免疫组织化学分析揭示了显著的转录变化，显示选择性神经元丢失和星形胶质细胞反应性，伴随着神经炎症和应激反应基因的上调，特别是热休克蛋白（HSP）伴侣系统的参与。此外，药理学抑制HSP90减少了tau聚集和星形胶质细胞反应性，从而突出了伴侣网络在介导tau病理传播中的重要性。内吞致病性Aβ和tau聚集体可能通过诱发炎症和神经元功能障碍进一步损害星形胶质细胞的神经保护功能。重要的是，星形胶质细胞分泌的tau和Aβ种类比神经元来源的聚集体具有更高的播种能力，这表明星形胶质细胞加工可能加剧和放大病理。证据还表明，iPSC星形胶质细胞通过细胞外囊泡和隧道纳米管促进致病蛋白的细胞间传播，尽管这些结构在神经元和星形胶质细胞中仍需要额外的表征。然而，这些数据表明，星形胶质细胞中的蛋白质稳定失败可能促进蛋白质积累和传播，从而维持和放大病理扩散。

2.1.4 线粒体动力学和生物能学（Mitochondria dynamics and bioenergetics）

星形胶质细胞是代谢和线粒体功能的调节者，而这些过程在AD中被破坏。虽然来自fAD、presenilin-2（PSEN2）和amyloid precursor protein（APP）突变神经元单一培养的生物能学破坏表明细胞自主对代谢功能障碍有贡献，但共培养模型表明星形胶质细胞代谢功能障碍对神经元健康有非细胞自主效应。例如，来自带有fAD PSEN1ΔE9突变供体的星形胶质细胞显示脂质代谢缺陷、Aβ产生增加、氧化应激增加和显著的线粒体功能障碍，从而导致健康对照神经元的钙信号活动紊乱。同样，来自散发性AD供体的iPSC神经元、星形胶质细胞和大脑类器官各自都表现出线粒体动力学和影响脂肪酸氧化的代谢功能障碍的改变。此外，线粒体吞噬（从神经元到星形胶质细胞的线粒体细胞间转移，随后通过线粒体自噬降解的过程）在PSEN1ΔE9突变模型中似乎受损。具体来说，PSEN1ΔE9星形胶质细胞与同基因对照相比，处理神经元线粒体的能力降低，进一步损害了神经元-胶质细胞代谢偶联和线粒体控制。总的来说，这些研究强调了星形胶质细胞在AD背景下影响神经元健康的多条途径。这些过程汇聚于异常炎症、脂质代谢改变、蛋白质稳定清除失败和线粒体支持受损，这些都是神经元功能障碍的促成因素。

2.2 小胶质细胞（Microglia）

小胶质细胞对于调节大脑中的神经炎症反应至关重要，急性激活被认为是对神经损伤的保护性反应，而慢性炎症和小胶质细胞功能障碍与AD的风险、发病和进展密切相关。因此，小胶质细胞炎症在AD背景下的功能可能看似矛盾；虽然小胶质细胞在AD早期起保护作用，但它们后来通过异常吞噬神经元和突触，主动促成神经退行性变。包括小胶质细胞-神经元相互作用在内的小胶质细胞目前正在AD背景下被广泛研究，但目前的大部分工作是在啮齿动物模型和人类尸检研究中进行的。重要的是，iPSC小胶质细胞在响应炎症刺激时显示出与原发性小胶质细胞相似的分泌谱，并主动吞噬包括Aβ和tau在内的一系列底物。此外，用这些底物以及凋亡神经元刺激iPSC小胶质细胞会诱导其向神经退行性疾病特异性状态（称为“损伤相关小胶质细胞”）的转录变化，基于APOE、GPNMB和ABCA1等基因的表达，这表明与小鼠类似，iPSC小胶质细胞具有忠实地模拟AD发病机制某些方面的潜力。

2.2.1 炎症（Inflammation）

激活的小胶质细胞释放的细胞因子和趋化因子被认为通过减少吞噬作用，从而减少细胞外Aβ的清除，来促进AD进展的加速。与神经元和星形胶质细胞一起维持在三重培养中的iPSC小胶质细胞在脂多糖暴露后，与单一培养中的小胶质细胞相比，释放出显著更高水平的补体成分3（C3），这是一种与AD相关的炎症标志物，表明星形胶质细胞和神经元可以增强小胶质细胞C3的分泌。确实，携带导致Aβ肽过度产生的双重点fAD Swedish突变（APP K670N, M671L）的神经元，诱导小胶质细胞分泌的C3显著高于同基因对照神经元。利用3D微流控平台的三重培养模型支持了小胶质细胞、星形胶质细胞和神经元之间的相互作用在调节神经炎症、小胶质细胞募集和神经毒性活动方面的重要性。此外，神经元-小胶质细胞通信可以被APOE基因型修改：APOE ?4小胶质细胞与APOE ?3小胶质细胞相比，表现出脂质积累和促炎信号的上调。为了评估这些小胶质细胞对神经元网络的功能影响，将APOE ?4小胶质细胞的条件培养基应用于解离的APOE ?3神经元球体，并使用多电极阵列测量神经元活动。应用APOE ?4小胶质细胞条件培养基损害了APOE ?3球体高度协调的神经元活动。这表明考虑细胞环境以及与其他神经细胞类型的相互作用对于调节小胶质细胞活性的重要性。

2.2.2 神经元和突触活动（Neuronal and synaptic activity）

当异常激活时，小胶质细胞可能过度修剪突触，导致神经元功能障碍和轴突损伤，这在啮齿动物模型中已被证明有助于神经退行性变的发病和进展。然而，虽然人类APOE ?4iPSC小胶质细胞与解离的皮质球体共培养会损害神经元钙瞬变和网络活动，但它们对突触数量或大小没有影响。相比之下，携带TREM2 R47H变体的iPSC小胶质细胞在异种移植到小鼠大脑中时，导致突触密度降低，尽管在体外显示出对突触体、髓鞘和Aβ₄₂的摄取受损。这些差异可能是由于TREM2介导的体内环境中补体和炎症信号的上调，这可能随后激活了突触修剪，或通过另一种机制诱导了神经元功能障碍和突触丢失。或者，跨物种细胞相互作用，或暴露于成人大脑环境，也可能影响了小胶质细胞活性和神经元反应。这些不一致性突显了需要一个可重复且稳健的三重培养人类系统来研究神经元-星形胶质细胞-小胶质细胞的相互作用及其如何促成疾病发病机制。这些系统还将允许研究星形胶质细胞和小胶质细胞之间的相互作用，这是一个尚未充分探索但可能在健康和疾病中具有显著影响的主题。例如，Lish等人最近报告了由iPSC星形胶质细胞、神经元和小胶质细胞组成的单一培养和三元培养之间的显著转录组学和功能差异，包括突触和神经元组织通路、小胶质细胞反应性、分泌组和炎症特征。此外，iPSC来源的三元培养模型表明，小胶质细胞是介导星形胶质细胞中APOE减少和神经元中磷酸化tau水平升高的簇蛋白（CLU）依赖性所必需的。在这种背景下，星形胶质细胞CLU的缺失导致小胶质细胞依赖性的突触密度降低（在三元培养中）和对外源施加的神经元突触体的吞噬作用增加（在小胶质细胞-星形胶质细胞共培养中）。相反，在与fAD（APP K670N, M671L/PSEN1 M146V）神经元和APOE ?4小胶质细胞的三元培养中，具有CLU保护性变体的星形胶质细胞APOE表达增加，并通过减少神经元中磷酸化tau水平和增加树突棘密度，赋予了对fAD突变影响的保护。

3. 帕金森病（Parkinson’s disease）

PD是全球老龄化人口中诊断出的第二常见且增长最快的神经退行性疾病。PD患者在临床上表现出包括强直、运动不能/运动迟缓、震颤和姿势不稳等症状。非运动症状包括认知障碍、嗅觉减退、抑郁、睡眠障碍和自主神经功能障碍，这些与运动系统一起导致严重残疾和生活质量下降。病理上，PD的特征是黑质致密部多巴胺能神经元的丢失和细胞内α-突触核蛋白以路易体和路易神经突的形式积累。病理的进展也被认为是时间依赖性的，并以区域特异性的方式发生，致病性α-突触核蛋白的传播、炎症和跨不同神经细胞类型的代谢变化都起着关键作用。

虽然PD以特定神经元群的丢失为特征，但最近对散发性和家族性PD形式的遗传研究表明，在胶质细胞中高表达的基因参与其中，表明它们参与疾病发病机制。全基因组关联研究（GWAS）在识别易感位点方面至关重要，包括富含亮氨酸重复激酶2（LRRK2）、葡糖脑苷脂酶1（GBA1）、α-突触核蛋白（SNCA）和微管相关蛋白tau（MAPT）基因座，17q21.31。值得注意的是，PD相关基因的表达在啮齿动物和人类之间存在差异，并且在人脑的不同细胞类型中也各不相同，这强调了人类细胞模型对于补充和验证啮齿动物中正在进行的工作的重要性。

3.1 星形胶质细胞（Astrocytes）

啮齿动物和iPSC模型都表明，星形胶质细胞在α-突触核蛋白病理的发展中起作用，并影响神经元多巴胺能传递和神经营养因子的释放，以及抗氧化分子的产生，这表明星形胶质细胞的健康和功能有助于PD相关的神经元丢失和病理的传播。

3.1.1 病理的积累和传播（Accumulation and spread of pathology）

PD病理的一个关键标志是致病性α-突触核蛋白在神经元内的积累，而胶质包涵体的报道很少。然而，PD相关基因的iPSC建模提供了关于星形胶质细胞如何可能影响这一过程的见解。星形胶质细胞可能通过增强吞噬作用、内吞作用和蛋白水解能力来保护多巴胺能神经元免受致病蛋白积累，并减少α-突触核蛋白在神经元网络中的传播，从而清除细胞外α-突触核蛋白。与它们在tau病理中的作用类似，星形胶质细胞能够内化从退化或存活的神经元释放的致病性α-突触核蛋白，并将其送往溶酶体降解，从而限制其传播。此外，星形胶质细胞通过释放神经营养因子、产生抗氧化剂、调节能量代谢以及维持自噬和伴侣介导的降解途径来提供进一步的支持。在PD模型中，星形胶质细胞内体-溶酶体途径的破坏似乎特别促进了致病性α-突触核蛋白的传播。例如，星形胶质细胞表达基因（如编码溶酶体5型P型ATP酶的ATP13A2）的突变会损害星形胶质细胞的吞噬作用、内吞作用和蛋白水解能力，导致α-突触核蛋白在细胞内的加速积累和神经元间的传播。此外，携带风险相关GBA1突变（一个调节溶酶体功能的关键基因）的星形胶质细胞显示，与同基因对照相比，对神经元来源的α-突触核蛋白的内吞作用增加，并转运到功能失调的溶酶体，导致过度的α-突触核蛋白积累。类似于先前描述的tau和Aβ的过程，通过激活Toll样受体2来抑制内化物质的自噬降解似乎进一步加速了蛋白质积累和传播，这可能是由于星形胶质细胞无法处理和降解致病性神经元蛋白，导致分泌和随后的病理扩散。Di Domenico等人证明，LRRK2-G2019S星形胶质细胞表现出功能失调的伴侣介导的自噬（CMA）和受损的巨自噬，导致显著的细胞内α-突触核蛋白积累。值得注意的是，CMA的药理学激活恢复了这些细胞中部分功能性α-突触核蛋白的降解。此外，LRRK2-G2019S星形胶质细胞通过促进星形胶质细胞来源的α-突触核蛋白在神经元中的直接或间接转移和积累，对多巴胺能神经元发挥神经毒性作用，可能促进致病蛋白在连接的神经元网络中传播的级联反应。当与健康神经元共培养时，LRRK2-G2019S星形胶质细胞也可能通过改变星形胶质细胞到神经元的细胞外囊泡穿梭以及未能分泌必需的神经营养因子和脂质，从而损害神经营养支持，从而导致多巴胺能神