单细胞RNA测序揭示镉诱导的人皮质类器官发育神经毒性的细胞类型特异性机制

《Journal of Hazardous Materials》：Single-Cell RNA Sequencing Reveals Cadmium-Induced Cell-Type-Specific Mechanisms of Developmental Neurotoxicity in Human Cortical Organoids

胎儿大脑发育对终身神经系统健康至关重要，然而环境重金属污染物如镉（Cd）的影响仍未完全明确。作为一种典型的环境重金属污染物，镉广泛存在于包括孕妇在内的各类人群中，并可破坏对胎脑发育至关重要的锌和铜离子稳态。但在人类模型中，镉诱导发育神经毒性的细胞类型特异性脆弱性尚未得到充分探索。在本研究中，研究人员采用皮质类器官结合单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术，评估了镉诱导的细胞类型特异性发育神经毒性并阐明其分子机制。scRNA-seq结果显示，镉暴露诱导增殖神经细胞群发生细胞周期阻滞，同时伴随锌和铜离子稳态失调，导致抑制性神经元丢失。从机制上看，镉在所有细胞类型中激活核糖体生物合成与线粒体能量代谢，同时在星形胶质细胞中增强Cd2+解毒能力并诱导其功能异常。此外，镉破坏了轴突导向，表现为轴突生长长度减少，并通过PSMD2、TUBA1B和CFL1高亲和力结合谷氨酸（Glu）和天冬氨酸（Asp）增强异常的细胞间通讯。最后，微电极阵列（MEA）检测显示，镉暴露损害了皮质类器官的神经网络活动。本研究在单细胞层面揭示了环境相关浓度镉干扰人类皮质发生的前所未有的机制，为该普遍污染物的发育神经毒性提供了有力证据，并支持通过减少产前镉暴露以促进终身神经系统健康的努力。

该研究发表于《Journal of Hazardous Materials》，针对镉（Cd）这一广泛存在的环境重金属污染物对胎儿大脑发育的潜在危害展开深入探讨。胎儿大脑发育高度敏感，产前镉暴露已被流行病学与动物研究证实与子代神经发育异常相关，但既往研究缺乏在人类相关模型中对细胞类型特异性机制的解析，且种属差异限制了啮齿类模型结果向人类的转化。为此，研究人员利用人诱导多能干细胞（iPSC）衍生的皮质类器官模型，结合单细胞转录组学等方法，系统解析了环境相关浓度镉干扰人类皮质发生的分子与功能影响。

研究采用的主要关键技术方法包括：人iPSC系（NCCSEDi001-A）来源的皮质类器官长期培养体系；单细胞RNA测序（scRNA-seq）用于解析细胞异质性与基因表达变化；伪时序轨迹分析与细胞通讯分析用于追踪神经发育路径及细胞互作改变；轴突导向微流控芯片用于验证轴突生长表型；微电极阵列（MEA）记录用于评估神经网络电活动功能。

研究结果如下：

scRNA-seq揭示镉诱导人皮质类器官细胞群体与基因表达的改变

研究人员将培养至56天的人皮质类器官暴露于1 μM CdCl₂14天，免疫染色证实类器官维持多层结构并包含SOX2⁺神经祖细胞（NPCs）、TBR2⁺中间祖细胞（IPCs）及CTIP2⁺深层神经元等细胞类型。scRNA-seq分析显示，镉暴露显著改变了各细胞亚群的组成比例，并在增殖性神经群体中引发细胞周期阻滞及锌铜离子稳态失衡，伴随抑制性神经元数量下降。

镉激活核糖体生物合成与线粒体能量代谢

跨细胞类型的转录组分析发现，镉暴露普遍上调核糖体生物合成相关基因，并增强线粒体能量代谢通路活性，提示细胞在应对镉应激时启动蛋白质合成与能量供应相关的适应性反应。

星形胶质细胞的Cd²⁺解毒增强与功能异常

在星形胶质细胞中，镉暴露显著诱导金属硫蛋白等解毒相关基因的表达，增强Cd²⁺螯合与排出能力，但同时伴随支持神经元功能的相关基因表达紊乱，提示其在发挥解毒作用的同时出现功能失调。

轴突导向受损与异常细胞间通讯

研究人员结合网络毒理学与微流控芯片实验证实，镉暴露减少轴突生长长度并扰乱轴突导向通路。蛋白互作分析显示，镉通过PSMD2、TUBA1B和CFL1高亲和力结合谷氨酸（Glu）和天冬氨酸（Asp），增强异常的神经递质介导的细胞间通讯。

神经网络活动损伤

MEA检测结果表明，镉暴露的皮质类器官自发放电频率与爆发活动显著下降，神经网络同步性减弱，证实其功能层面的发育毒性。

讨论部分指出，早期镉暴露可通过血脑屏障并在脑内蓄积，对发育中的神经系统产生持久影响。本研究首次在人类皮质类器官模型中以单细胞分辨率系统描绘了镉的发育神经毒性特征，揭示了细胞类型特异性的分子机制，弥补了传统整体组织分析无法解析异质性响应的不足。结论部分强调，镉暴露通过干扰神经分化、核糖体与线粒体功能、星形胶质细胞稳态、轴突导向及细胞通讯，最终损害神经网络功能。这些发现为环境镉暴露的神经发育风险评估提供了直接的人类相关证据，支持降低产前镉暴露以保护终身神经系统健康的公共卫生策略。