靶向反义寡核苷酸干预挽救脊髓性肌萎缩症类器官的发育缺陷

《Nature Communications》：Targeted antisense oligonucleotide treatment rescues developmental alterations in spinal muscular atrophy organoids

脊髓性肌萎缩症(SMA)是一种由SMN1基因突变导致的严重神经疾病，其早期神经发育缺陷机制尚不明确。本研究利用SMA患者来源的脊髓和大脑类器官模型，揭示了从神经前体细胞到神经元分化的广泛转录组异常及中枢神经系统普遍存在的电生理超兴奋性。研究证实，早期给予优化的反义寡核苷酸(ASO)治疗可有效挽救类器官的形态和功能缺陷，并精准纠正关键神经元分化节点的异常剪接。该研究为SMA的早期干预治疗策略提供了重要理论依据。

　　

脊髓性肌萎缩症(Spinal muscular atrophy, SMA)是一种严重的遗传性神经肌肉疾病，是导致婴幼儿死亡的最常见遗传原因之一。该病主要由SMN1(Survival of motor neuron 1)基因的纯合缺失或突变引起，导致运动神经元存活蛋白(SMN)表达水平显著降低，进而引发脊髓前角运动神经元的进行性退化和肌肉萎缩。尽管针对SMA的基因治疗和反义寡核苷酸(Antisense oligonucleotide, ASO)疗法已取得显著进展，但患者在接受治疗后仍可能遗留不同程度的运动功能障碍。这提示我们，除了运动神经元死亡这一最终结局外，SMA的发病机制中可能还存在着更早期的、在神经发育阶段就已出现的“发育缺陷”。然而，由于缺乏能够模拟人类早期神经发育过程的理想模型，SMA早期神经发育缺陷的具体机制及其对治疗反应的影响，一直是该领域亟待解决的关键科学问题。

为了回答这些问题，研究人员在《Nature Communications》上发表了一项研究，他们利用SMA患者来源的脊髓和大脑类器官(Organoids)模型，深入揭示了SMA在神经发育早期的广泛病理特征。研究发现，SMN蛋白的缺失会导致从神经前体细胞到神经元分化过程的广泛转录组失调，并引发中枢神经系统(Central nervous system, CNS)普遍存在的电生理超兴奋性。更重要的是，研究证实，在发育早期给予优化的反义寡核苷酸(ASO)治疗，能够有效挽救这些形态和功能缺陷，并精准纠正关键神经元分化节点的异常剪接。这一发现为理解SMA的发病机制和优化治疗策略提供了新的视角。

主要技术方法

本研究主要采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   类器官模型构建：研究团队利用来自多名SMA 1型男性患者的诱导多能干细胞(Induced pluripotent stem cells, iPSCs)，成功构建了脊髓和大脑类器官模型，以模拟人类神经系统的早期发育过程。
2. 2.
   单细胞转录组测序(Single-cell transcriptomics)：通过对类器官进行单细胞RNA测序，在单细胞分辨率下全面解析了SMA模型中不同神经细胞群体的基因表达谱变化，揭示了SMN依赖的神经元分化程序失调。
3. 3.
   多电极阵列(Multi-electrode array, MEA)分析：利用MEA技术对类器官进行电生理记录，客观评估了SMA类器官的神经元网络活动，发现了其普遍存在的超兴奋性特征。
4. 4.
   反义寡核苷酸(ASO)干预：在类器官发育的早期阶段，给予一种优化的ASO药物进行治疗，通过提升SMN蛋白水平，评估其对类器官形态、功能和分子层面的挽救效果。

研究结果

1. SMA类器官模型揭示广泛的神经发育缺陷

研究人员首先利用SMA患者来源的iPSCs成功构建了脊髓和大脑类器官。与健康对照组相比，SMA类器官在发育过程中表现出明显的形态学异常，包括神经元分化延迟和结构紊乱。这一发现表明，SMN蛋白的缺失不仅影响运动神经元的存活，更在神经发育的早期阶段就造成了广泛的发育障碍。

2. 单细胞转录组学揭示SMN依赖的神经元分化程序失调

为了深入探究SMA类器官发育缺陷的分子机制，研究人员进行了单细胞转录组测序分析。结果发现，SMN蛋白的缺失导致了从神经前体细胞到神经元分化过程的广泛转录组失调。这种失调并非局限于运动神经元，而是广泛存在于多种神经细胞群体中，表明SMN蛋白在维持正常的神经元分化程序中扮演着至关重要的角色。

3. 多电极阵列分析证实中枢神经系统普遍存在超兴奋性

为了评估SMA类器官的功能状态，研究人员利用多电极阵列(MEA)技术对其电生理活动进行了记录。令人惊讶的是，无论是脊髓类器官还是大脑类器官，SMA模型均表现出显著的电生理超兴奋性。这一发现首次在体外模型中证实，SMA的病理特征不仅局限于脊髓运动神经元，而是整个中枢神经系统(CNS)普遍存在的功能异常。

4. 早期ASO干预有效挽救形态和功能缺陷

研究团队在类器官发育的早期阶段，给予了一种优化的反义寡核苷酸(ASO)进行治疗。结果显示，早期ASO干预能够显著提升SMN蛋白水平，并有效挽救SMA类器官的形态学异常和电生理超兴奋性。这一结果证明了早期治疗对于纠正SMA神经发育缺陷的有效性。

5. ASO治疗精准纠正关键神经元分化节点的异常剪接

最后，研究人员深入探究了ASO治疗的作用机制。他们发现，ASO治疗不仅提升了SMN蛋白水平，更重要的是，它能够精准地纠正SMA类器官中关键神经元分化节点的异常剪接事件。这些被纠正的剪接靶点富集在神经元分化的关键调控节点上，这为理解ASO如何从分子层面挽救神经发育缺陷提供了直接的证据。

结论与讨论

本研究通过构建SMA患者来源的类器官模型，系统性地揭示了SMA在神经发育早期的核心病理特征。研究证实，SMN蛋白的缺失会导致从神经前体细胞到神经元分化过程的广泛转录组失调，并引发中枢神经系统普遍存在的电生理超兴奋性。这些发现表明，SMA不仅仅是一种运动神经元退行性疾病，更是一种涉及整个中枢神经系统的神经发育障碍。

更重要的是，本研究证实了早期干预的重要性。在类器官发育的早期阶段给予优化的反义寡核苷酸(ASO)治疗，能够有效提升SMN蛋白水平，并成功挽救类器官的形态和功能缺陷。机制研究表明，ASO治疗通过精准纠正关键神经元分化节点的异常剪接，从而恢复了正常的神经发育程序。

这项研究的意义在于，它首次在体外模型中系统揭示了SMA的早期神经发育缺陷，并证实了早期ASO干预的有效性。这为理解SMA的发病机制提供了新的视角，也为优化SMA的治疗策略（如强调早期诊断和早期干预）提供了重要的理论依据。