HIV-1 感染脑类器官模型研究：抗逆转录病毒疗法无法减轻神经炎症

研究人员为探究 HIV-1 和抗逆转录病毒疗法（ART）对神经炎症的影响，构建模型，发现 ART 无法降低神经炎症。

　　

一、研究背景

人类免疫缺陷病毒 1 型（HIV-1）如同一个隐匿在人体中的 “破坏者”，它悄无声息地入侵中枢神经系统（CNS），给人们的健康带来了极大的威胁。在 HIV-1 感染后的短短 4 - 8 天内，它就迅速进入中枢神经系统，感染其中的巨噬细胞、小胶质细胞，甚至还会低水平地感染星形胶质细胞。这些被感染的细胞仿佛被激活的 “定时炸弹”，在病毒蛋白、炎症介质和神经毒性分子的刺激下，释放出大量促炎细胞因子，引发神经炎症。这种神经炎症就像一场 “慢性火灾”，持续不断地侵蚀着神经元，导致神经元损伤和丢失，进而引发 HIV-1 相关神经认知障碍（HIV-1-NCI）。

HIV-1-NCI 给患者的生活带来了沉重的负担，它干扰患者的精神运动速度和协调能力，让患者的记忆力和执行功能逐渐衰退，极大地降低了生活质量。即便抗逆转录病毒药物疗法（ART）能够成功抑制病毒复制，使患者血液中的病毒载量降至检测不到的水平，但神经炎症却依然顽固地存在，持续破坏着神经系统。

目前，对于 HIV-1 感染导致神经炎症的具体机制，科学家们还没有完全弄清楚。而且，由于获取人类中枢神经系统组织的途径非常有限，动物模型又与人类生理存在显著差异，这使得研究 HIV-1-NCI 中的持续性神经炎症变得困难重重。因此，迫切需要一种新的研究方法来深入探索这一难题。脑类器官（BOs）技术的出现，为科学家们提供了新的希望。它能够从干细胞分化出各种人类脑细胞，形成三维结构，模拟人类大脑的发育和功能。于是，来自美国多个研究机构的研究人员，包括 Feinstein Institutes for Medical Research 的 Samuel Martinez-Meza 等人，开展了一项重要研究，希望能借此揭开 HIV-1 感染与神经炎症之间的神秘面纱，该研究成果发表在《Journal of Neuroinflammation》上。

二、研究方法

研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先是构建脑类器官模型，利用人胚胎干细胞（ESCs）分化形成脑类器官，在这个过程中，细胞会自我组织形成不同的脑区结构；接着进行小胶质细胞分化，将人类造血祖细胞（HPCs）诱导分化为小胶质细胞；然后让小胶质细胞感染 HIV-1，并与脑类器官共培养，构建 “HIV-1 M-BO” 模型；之后运用数字液滴 PCR（ddPCR）技术检测 HIV-1 的感染情况；通过多重 ELISA、流式细胞术和共聚焦显微镜等方法来测量炎症相关指标，如细胞因子水平和 p-NF-κB 水平等。

三、研究结果

1. BOs 和小胶质细胞对 HIV-1 感染的炎症反应：研究人员成功构建了脑类器官，其内部形成了典型的玫瑰花结结构，这是神经干细胞分化的重要标志。通过流式细胞术分析发现，脑类器官中包含多种细胞类型，如星形胶质细胞、神经元、神经干细胞等，但初始时不含小胶质细胞。用肿瘤坏死因子 α（TNFα）和干扰素 γ（IFNγ）刺激脑类器官后，发现星形胶质细胞和神经干细胞的 p-NF-κB 阳性率增加，而神经元的 p-NF-κB 阳性率降低，这表明脑类器官能够对炎症刺激产生反应。同时，小胶质细胞在感染 HIV-1 后，出现了合胞体形成和 Gag 蛋白表达增加的现象，ELISA 检测发现其培养上清液中的 p24 水平在感染后逐渐升高，到第 6 天达到峰值后下降，并且感染后的小胶质细胞培养上清液中部分促炎细胞因子水平有所上升，虽然变化不具有统计学意义，但趋势表明小胶质细胞对 HIV-1 感染产生了炎症反应。

2. HIV-1 感染的小胶质细胞诱导 BOs 中的神经炎症：研究人员将未感染和 HIV-1 感染的小胶质细胞分别与脑类器官共培养，构建了未感染的 M-BO（Uninfected M-BO）和 HIV-1 感染的 M-BO（HIV-1 M-BO）模型，并对部分 HIV-1 M-BO 进行 ART 治疗或中断 ART 治疗。结果发现，小胶质细胞成功浸润到脑类器官中，通过 ddPCR 和 ELISA 检测证实了 HIV-1 在 M-BOs 中的存在，且 ART 治疗能使 p24 水平显著降低，但无法完全清除病毒。在炎症相关指标方面，HIV-1 感染的 M-BOs 中，促炎细胞因子 CCL2 和骨桥蛋白（OPN）水平显著升高，且不受 ART 治疗的影响，同时小胶质细胞的 p-NF-κB 水平也显著升高，这表明 HIV-1 感染的小胶质细胞能够诱导脑类器官产生神经炎症，且这种炎症具有 ART 抗性。

3. HIV-1 感染的小胶质细胞诱导的神经炎症与星形胶质细胞激活和 NF-κB 激活相关：星形胶质细胞在神经炎症中起着关键作用。研究发现，在 HIV-1 感染的 M-BOs 中，星形胶质细胞的 GFAP（一种反应性星形胶质细胞的经典标志物）表达增加，同时 p-NF-κB 水平也显著升高，这表明星形胶质细胞对 HIV-1 感染产生了促炎反应，且这种反应不受 ART 治疗的影响。

4. HIV-1 感染的小胶质细胞诱导的神经炎症与神经元的 NF-κB 激活相关：神经元是 HIV-1-NCI 中主要受影响的细胞。研究人员通过流式细胞术和免疫荧光分析发现，在 HIV-1 感染的 M-BOs 中，神经元的 p-NF-κB 水平显著升高，且不受 ART 治疗的影响，这表明神经元在与 HIV-1 感染的小胶质细胞相互作用后，产生了炎症状态，这种炎症状态在 ART 治疗下依然持续存在。

5. HIV-1 感染的小胶质细胞诱导的神经炎症改变了神经干细胞的数量和 NF-κB 激活状态：神经干细胞在神经发生过程中起着重要作用。研究发现，在未感染的脑类器官培养物中，几乎不存在 PAX6 和 SOX2 双阳性的神经干细胞群体，而在 HIV-1 感染的 M-BOs 中则存在。有趣的是，ART 治疗似乎会减少神经干细胞的比例，而中断 ART 治疗后，神经干细胞群体又会出现反弹。此外，HIV-1 感染的 M-BOs 中，神经干细胞的 p-NF-κB 水平在 ART 治疗后升高，这表明 HIV-1 感染和 ART 治疗都会影响神经干细胞的状态。

四、研究结论与意义

这项研究成功构建了 HIV-1 感染的脑类器官体外模型，通过该模型研究发现，HIV-1 感染的小胶质细胞浸润到脑类器官中，会导致星形胶质细胞、神经元和神经干细胞群体出现促炎状态，这一现象与 HIV-1-NCI 中观察到的神经炎症特征相似。尽管 ART 能够显著抑制 HIV-1 水平，但神经元炎症依然持续存在，这说明 ART 无法有效逆转神经炎症。

该研究为理解 HIV-1 和 ART 对神经炎症的影响提供了重要的实验依据，有助于进一步探究 HIV-1-NCI 的发病机制。同时，这个模型也为寻找治疗 HIV-1 相关神经炎症的新靶点提供了有力工具，尽管目前该模型还存在一些局限性，需要进一步研究完善，但它为未来的研究指明了方向，有望推动相关领域的发展，为 HIV-1 患者的治疗带来新的希望。