iPSC来源的脊髓运动神经元与类血脑屏障器官芯片模型揭示散发性ALS的早期病理机制

本研究通过结合iPSC技术与器官芯片系统，构建了整合类血脑屏障的散发性ALS（sALS）脊髓芯片模型。研究人员利用年轻发病sALS患者的iPSC分化为脊髓运动神经元（MNs），与脑微血管内皮样细胞共培养，通过转录组学、蛋白质组学和单核RNA测序发现ALS特异性运动神经元亚群存在神经丝蛋白（NFs）异常及谷氨酸能/突触信号失调。该模型为解析ALS早期病理机制及药物筛选提供了新平台。

　　

肌萎缩侧索硬化症（ALS）是一种致命的神经退行性疾病，患者大脑和脊髓中的运动神经元（MNs）逐渐退化，导致瘫痪。尽管约10%的病例与遗传突变有关，但90%为散发性ALS（sALS），其病因尚不明确。虽然诱导多能干细胞（iPSC）技术为ALS建模提供了可能，但传统培养方法难以模拟体内微环境，且缺乏血管化系统，限制了药物筛选的可靠性。

为解决这些问题，美国Cedars-Sinai医学中心再生医学研究所的Deepti Lall、Michael J. Workman和Clive N. Svendsen团队在《Cell Stem Cell》发表研究，通过将年轻发病sALS患者的iPSC分化为脊髓运动神经元，与脑微血管内皮样细胞（iBMECs）在微流体器官芯片中共培养，构建了具有类血脑屏障功能的脊髓芯片（SC-chip）模型。研究发现培养基流动显著增强神经元成熟，并鉴定出ALS特异性运动神经元亚群存在神经丝蛋白（NEFL/NEFH）上调、神经颗粒素（NRGN）异常及谷氨酸受体（GRIN2A/GRIK1）信号失调，为ALS早期病理机制提供了新见解。

研究主要采用四项关键技术：1）从sALS患者PBMC来源iPSC分化为脊髓运动神经元；2）微流体器官芯片共培养运动神经元与iBMECs，模拟血脑屏障；3）整合转录组学、蛋白质组学和单核RNA测序（snRNA-seq）多组学分析；4）使用Answer ALS队列中年轻发病（中位33岁）的男性患者样本进行验证。

研究结果
1. 培养基流动增强SC-chip中神经元生长
通过比较静态与流动培养条件，发现流动组神经组织厚度增加2倍（p<0.0001），转录组显示DNA复制相关基因（如MCM5）上调，而静态组则呈现缺氧和凋亡信号激活。与96孔板培养相比，芯片环境显著提升运动神经元标志物ISL1和MNX1表达（p<0.05）。

2. sALS芯片模型显示疾病特异性标志物
对5例对照和4例sALS患者的SC-chip分析发现，ALS组神经丝蛋白NEFH mRNA和蛋白水平均显著上调（p<0.001），且NRGN表达增加。但未检测到TDP-43（TARDBP）相关剪接变异（如STMN2/UNC13A）。

3. 单核测序解析运动神经元亚群
对49,422个细胞核分析鉴定出两类MNs：MNX1⁺（骨骼肌支配）和PHOX2B⁺（颅神经运动神经元）。伪时序分析显示芯片促进MNs向更成熟状态分化，其基因表达谱与体内人类胎儿脊髓MNs高度相关（r=0.94）。

4. ALS运动神经元存在谷氨酸能信号失调
差异表达分析发现sALS的MNX1⁺ MNs中红藻氨酸受体（GRIK1/GRIK2）上调，而PHOX2B⁺ MNs中AMPA/NMDA受体亚基（GRIA4/GRIN2A）和突触支架蛋白（SHISA9）异常高表达（p<0.05）。同时GABA受体（GABRB1）下调，提示兴奋-抑制平衡破坏。

结论与意义
该研究首次在器官芯片中整合类血脑屏障系统模拟sALS病理，揭示了疾病早期运动神经元亚群的特异性分子变化：1）神经丝蛋白异常积聚可能驱动轴突退化；2）谷氨酸受体亚基和突触蛋白失调提示兴奋毒性机制；3）缺乏TDP-43剪接变异表明模型更反映疾病早期事件。局限性在于MNs主要为颈髓身份，且未观察到细胞死亡，未来需延长培养或引入衰老因素。该模型为研究sALS病理机制和BBB穿透性药物筛选提供了重要平台。