mGluR5激动剂拯救SHANK2突变神经元网络超同步化的机制研究

《Stem Cell Reports》：Hypersynchronous iPSC-derived SHANK2 neuronal networks are rescued by mGluR5 agonism

本研究针对SHANK2基因变异导致自闭症谱系障碍的神经机制，利用人多能干细胞分化神经元结合多电极阵列技术，首次发现SHANK2突变神经元网络存在超同步化放电现象。通过mGluR5激动剂DHPG干预，成功逆转网络异常活动模式，为靶向mGluR信号通路治疗SHANK2相关神经发育障碍提供新依据。

　　

在探索自闭症谱系障碍（ASD）复杂病因的科研征程中，SHANK2基因始终占据着关键地位。这个编码突触后支架蛋白的基因，其变异如何破坏神经网络精细平衡，一直是神经科学领域的未解之谜。以往研究多聚焦于单个神经元层面的异常，而McCready团队独辟蹊径，将研究视角延伸至网络层面的动态交互，揭示出令人震惊的发现：SHANK2突变不仅导致神经元超连接，更引发整个网络的超同步化放电。这一发现犹如打开了一扇观察ASD神经网络异常的新窗口，为理解疾病机制提供了全新维度。

研究团队运用多项前沿技术手段构建了完整的研究体系：通过CRISPR-Cas9n基因编辑技术构建等基因对照细胞系；采用Neurogenin2（Ngn2）诱导分化获得兴奋性神经元；利用多电极阵列（MEA）进行长期网络活动记录；开发优化的网络爆发检测算法进行精准分析；应用相关谱熵（CorSE）方法量化网络同步性；并通过机器学习分类器验证表型特征。

SHANK2神经元形成功能性网络

研究证实，所有iPSC衍生神经元均能形成自发性放电网络。通过对比两对等基因SHANK2细胞系（SHANK2 R841X杂合突变和SHANK2 KO纯合敲除），发现SHANK2网络表现出明显的超活动性，平均放电率（MFR）在发育第7周分别增加1.8倍和2倍。这种活动增强并非源于活跃记录通道数量的增加，而是反映了网络层面的根本性改变。

网络爆发频率增加且持续时间缩短

SHANK2网络最显著的特征是网络爆发事件的频率显著增加，同时持续时间明显缩短。SHANK2 R841X网络的爆发频率增加4.1倍，而持续时间减少3.9倍。更重要的是，SHANK2网络爆发的持续时间变异性显著降低，表明其活动模式更加刻板、缺乏灵活性。

SHANK2网络表现出超同步化放电活动

通过相关谱熵（CorSE）方法分析网络同步性，研究发现SHANK2网络的连接强度分布向高同步值偏移，平均同步分数增加3.1倍（SHANK2 R841X）和1.7倍（SHANK2 KO）。SHANK2 R841X网络中还出现了一个独特的次峰，集中在CorSE同步值0.6附近，这一特征在对照组中完全缺失。

网络爆发内部放电动力学改变

深入分析网络爆发内部结构发现，SHANK2网络具有独特的爆发形态特征。与对照组网络爆发的指数式衰减不同，SHANK2网络在爆发峰值后呈现缓慢的线性衰减，随后突然终止。这种模式提示SHANK2网络可能存在突触资源快速耗竭的现象。进一步分析显示，SHANK2网络内单个通道爆发次数显著减少，晚期爆发（爆发开始后500ms以上）比例明显降低。

钙依赖性超级爆发（RSBs）在SHANK2网络中罕见

研究观察到对照组网络中常见的钙依赖性 reverberating super bursts（RSBs）在SHANK2网络中几乎完全缺失。通过EGTA-AM处理证实RSBs确实依赖细胞内钙信号。这种复杂网络活动模式的缺失，反映了SHANK2网络成熟度的不足或发育轨迹的异常。

mGluR激动剂DHPG拯救超同步表型

最令人振奋的发现是，慢性给予mGluR5激动剂DHPG能够有效逆转SHANK2网络的异常表型。DHPG处理使SHANK2 R841X网络的爆发频率显著降低，持续时间增加，变异性恢复。更重要的是，DHPG完全挽救了网络同步性异常，将平均CorSE同步分数和强连接数量恢复至对照组水平。DHPG还部分恢复了RSBs的出现频率，改善了网络爆发内部结构，增加了晚期爆发的比例。

讨论部分强调，本研究首次在人类iPSC衍生神经元模型中系统揭示了SHANK2变异导致的网络水平功能异常。SHANK2网络的超同步化表型可能反映了兴奋-抑制平衡的破坏，以及mGluR信号通路的功能障碍。DHPG的成功干预不仅验证了mGluR5作为治疗靶点的潜力，更揭示了调节谷氨酸能神经传递在纠正神经网络异常中的关键作用。

这项发表于《Stem Cell Reports》的研究的重要意义在于：它将ASD疾病机制研究从单个神经元层面提升至网络系统层面，为理解神经发育障碍的电路基础提供了新视角；建立的优化网络分析方法为疾病表型鉴定设立了新标准；验证的mGluR5靶向干预策略为开发精准治疗方法奠定了坚实基础。这些发现不仅深化了对SHANK2相关ASD病理机制的理解，更为广泛性神经发育障碍的治疗研究提供了可借鉴的研究范式。