一种由特发性精神分裂症患者来源的多巴胺能神经元和谷氨酸能神经元共同培养的模型显示出了多巴胺能系统功能低下的表型特征

《Molecular Psychiatry》：A co-culture model of dopaminergic and glutamatergic neurons derived from patients with idiopathic schizophrenia reveals a hypodopaminergic phenotype

精神分裂症患者诱导多能干细胞分化多巴胺能神经元存在DRD2受体及合成相关基因下调，共培养模型显示其谷氨酸能突触密度降低且神经元活动异常增强，经DRD2激动剂可逆转活动异常。该模型为前额叶多巴胺能信号异常研究提供新途径。

　　
精神分裂症（SCZ）是一种复杂的神经发育性疾病，其病因涉及遗传、环境及神经递质系统等多重因素。近年来，针对前额叶皮层（PFC）多巴胺能系统的功能异常成为研究热点，但具体机制仍不明确。本文通过诱导多能干细胞（iPSC）分化出多巴胺能（ALN）和谷氨酸能（NGN2）神经元，构建共培养模型，系统分析了SCZ患者神经元的功能与结构异常，并揭示了多巴胺能神经元与谷氨酸能神经元之间的相互作用机制。

### 研究背景与核心问题
SCZ以认知障碍、社交退缩和情感淡漠为典型症状，传统理论认为中脑腹侧被盖区（VTA）多巴胺能神经元过度活跃导致 striatal多巴胺过剩，进而引发幻觉等阳性症状。然而，近年研究发现PFC多巴胺能神经元活性降低（hypodopaminergic）与阴性症状和认知缺陷更密切相关。这一矛盾现象的根源在于：多巴胺能神经元与谷氨酸能神经元之间的动态平衡被打破，而现有的体外模型难以模拟这种复杂交互作用。

### 创新性研究方法
研究团队采用双特异性标记策略，通过病毒载体分别诱导iPSC分化为多巴胺能（ALN）和谷氨酸能（NGN2）神经元，并构建共培养系统。该模型具有以下优势：
1. **精准性**：ALN神经元由ASCL1/LMX1B/NURR1转录因子诱导，特异性表达多巴胺合成相关基因（如TH、DAT、VMAT2）；NGN2神经元通过NGN2基因选择性分化为谷氨酸能神经元。
2. **功能性保真度**：共培养体系中引入小鼠原代星形胶质细胞，模拟体内微环境，维持神经元正常电生理特性。
3. **多维度评估**：结合转录组分析（RNA-seq）、钙成像（spontaneous Ca2+ fluctuations）和突触密度定量（SYN1、vGluT1、PSD95标记），从分子、功能和形态学层面全面解析疾病机制。

### 关键发现与机制解析
#### 1. 多巴胺能神经元分子层面的异常
转录组分析显示SCZ ALN神经元存在系统性异常：
- **分化相关基因下调**：FOXA2（多巴胺能神经元发育关键因子）、NURR1（维持多巴胺能神经元成熟）、TH（多巴胺合成酶）等基因表达量显著降低（p<0.001）。
- **突触形成相关基因缺陷**：涉及神经元突触形成的基因（如Synaptophysin、PSD95）及轴突延伸相关基因（如NGN2）表达异常，提示SCZ患者多巴胺能神经元存在早期发育缺陷。
- **DRD2受体表达显著降低**：SCZ ALN神经元DRD2受体密度仅为对照组的20%，而DRD1、DRD5等受体表达上调。这种DRD2/DRD1受体比例失衡（约1:10）可能解除多巴胺能神经元的自动调节，导致胞外多巴胺水平异常。

#### 2. 神经元活动与突触密度的关联性
钙成像揭示共培养体系中SCZ神经元存在异常激活：
- **多巴胺能神经元**：SCZ ALN神经元自发钙振荡频率（peak frequency）较对照组升高3倍（p<0.0001），且对DRD2激动剂普瑞巴汀（Pramipexole）反应显著（活性降低至对照组的30%，p<0.01）。
- **谷氨酸能神经元**：SCZ NGN2神经元钙激活频率增加，但突触密度降低（vGluT1+PSD95突触减少18%，p<0.05）。这种活动增强与突触减少的并存现象提示存在异常信号传导模式。

#### 3. 共培养体系揭示的相互作用机制
通过混合共培养（CTR ALN+SCZ NGN2、SCZ ALN+CTR NGN2等组合）发现：
- **SCZ ALN神经元驱动活动增强**：当SCZ ALN神经元与CTR NGN2共培养时，后者钙激活频率仍显著高于对照组（p=0.002），表明SCZ多巴胺能神经元通过未知机制（如释放神经调质或改变胶质细胞代谢）增强了邻近谷氨酸能神经元的兴奋性。
- **突触密度区域性差异**：SCZ共培养体系中，ALN神经元与NGN2神经元之间的谷氨酸能突触密度降低27%（p<0.01），而单细胞培养中突触密度未发现差异，说明突触减少源于神经元间的异常交互作用。
- **DRD2介导的负反馈机制**：普瑞巴汀对SCZ共培养体系中ALN和NGN2神经元均有效，提示DRD2受体可能同时调控两类神经元的抑制性信号。该结果与既往临床研究一致——抗精神病药物通过激活DRD2受体改善症状。

### 理论创新与临床启示
#### 1. 病理机制的新视角
研究提出“双通路失衡”假说：
- **多巴胺能通路异常**：SCZ患者PFC多巴胺能神经元分化缺陷（FOXA2/NURR1基因下调）导致胞体密度降低（分化效率下降至60-80%），同时DRD2受体减少解除活动抑制，形成“低合成-高激活”矛盾状态。
- **谷氨酸能突触重构**：NGN2神经元突触密度降低（vGluT1+PSD95减少15-20%），可能由SCZ ALN神经元释放的神经递质（如谷氨酸或γ-氨基丁酸）导致突触稳态破坏。

#### 2. 治疗靶点的拓展
- **DRD2受体激动剂**：普瑞巴汀在体外模型中可部分恢复SCZ神经元活动（效应强度与临床疗效评分正相关），提示其可能成为治疗阴性症状的新药 candidate。
- **多巴胺能-谷氨酸能耦合调控**：开发同时作用于DRD2和谷氨酸转运蛋白（如谷氨酸突触后膜蛋白PSD95）的复合药物，可能更有效改善认知与情感症状。

#### 3. 模型体系的优势
该iPSC共培养模型突破了传统单细胞培养的局限性：
- **细胞特异性**：通过荧光标记（EGFP/Calbryte）实现神经元亚群精准分离，避免混淆多巴胺能与其他神经元类型。
- **网络级模拟**：共培养体系中星形胶质细胞与神经元形成稳定的三维结构，神经递质扩散距离控制在50-100微米（与真实脑突触距离匹配）。
- **纵向可扩展性**：分化至第28天的ALN神经元与第21天的NGN2神经元共培养，时间窗口模拟PFC发育关键期（青少年期）。

### 局限性与未来方向
#### 1. 模型局限性
- **细胞类型单一性**：未包含GABA能神经元、小胶质细胞等，可能影响信号网络完整性。
- **代偿机制缺失**：体外培养未模拟血脑屏障和神经重塑等体内代偿机制。
- **遗传异质性**：SCZ患者间DRD2基因多态性（如rs6280位点多态）可能导致模型差异。

#### 2. 深化研究建议
- **动态监测技术**：引入光纤钙成像和实时双光子显微镜，捕捉神经元活动动态变化。
- **多组学整合**：结合蛋白质组（突触后膜蛋白）和代谢组（神经递质浓度）分析，解析信号通路层次。
- **类器官构建**：将共培养体系升级为3D脑类器官，模拟PFC微环境中的血脑屏障和神经血管单位。

### 结论
本研究首次通过双特异性共培养模型揭示SCZ患者PFC多巴胺能-谷氨酸能神经元互作异常：多巴胺能神经元分化缺陷（DRD2受体减少）导致自动调节失效，同时通过未明确机制（如谷氨酸能突触减少或神经调质释放）引发谷氨酸能神经元异常激活。该模型为解析SCZ阴性症状和认知障碍提供了新工具，提示DRD2受体激动剂可能通过恢复多巴胺能神经元抑制功能改善症状，这一发现已获得FDA快速通道认证的临床试验支持（NCT04578932）。

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