RNA编程技术CellREADR实现人类大脑皮层细胞类型的精准监测与操控

研究人员针对人类神经环路研究中缺乏细胞类型特异性工具的难题，开发了基于RNA感知的CellREADR技术。该技术通过ADAR介导的碱基编辑机制，成功靶向人类皮层CALB2+抑制性神经元和FOXP2+兴奋性神经元，实现了细胞类型特异性标记、光遗传学操控和钙成像监测，为解析人类神经微环路提供了创新工具。

　　

人类大脑作为自然界最复杂的生物系统之一，其功能依赖于数百种神经元类型精确组装形成的神经环路。然而长期以来，科学家们面临着一个关键瓶颈：缺乏有效工具来特异性标记和操控人类大脑中特定类型的神经元。传统遗传学方法受限于伦理问题只能在动物模型中实施，而基于转录增强子或病毒衣壳工程的方法存在开发周期长、跨物种适用性不确定等局限。这种技术缺口严重阻碍了人类神经科学的发展，特别是在理解语言、认知等高级脑功能以及神经系统疾病的细胞机制方面。

针对这一挑战，来自杜克大学(Duke University)神经生物学系的研究团队开发了名为CellREADR(RNA sensing by endogenous adenosine deaminase acting on RNA)的革命性技术。这项研究发表在《Cell Reports》上，首次证明通过RNA编程方法可以实现对人类大脑皮层特定神经元群体的精准访问、监测和操控，为人类神经科学研究开辟了新途径。

研究人员主要采用了三种关键技术：1)基于器官型培养的人脑切片模型，使用癫痫手术患者的非病变皮层组织；2)RNA传感器-效应器系统设计，包括单载体和双载体(tTA-TRE扩增)系统；3)多模态验证方法，结合免疫组化、膜片钳电生理、PatchSeq转录组分析和功能成像。这些方法的组合应用确保了研究结果的可靠性和全面性。

研究结果部分，作者通过系列实验系统验证了CellREADR技术的性能：

RNA编程靶向人类皮层细胞类型
研究人员设计了15种靶向不同神经元标记基因的CellREADR传感器，其中针对CALB2(calretinin)和FOXP2(forkhead box protein P2)的传感器表现出最佳性能。免疫组化显示，CALB2传感器在7名捐赠者组织中的特异性达72.2±5.5%，FOXP2传感器在5名捐赠者中达75.4±2.2%。值得注意的是，与常用的DLX2.0增强子病毒相比，CALB2 CellREADR标记效率更高(34.5±8.0 vs 14.8±2.8 cells/mm²)，且更集中于皮层浅层。

PatchSeq验证CALB2 CellREADR靶向
通过膜片钳电生理-转录组联合分析，94.7%(18/19)的mNeon⁺细胞检测到CALB2转录本，且绝大多数(94.7%)映射到VIP亚类中间神经元。电生理记录显示这些细胞具有高输入阻抗(0.280±0.041 MΩ)和高放电频率(53.94±2.57 Hz)，形态学分析呈现垂直走向的双极或多极树突，符合VIP中间神经元特征。

CALB2与FOXP2靶向神经元的生理特征
对60个CALB2和43个FOXP2靶向细胞的系统电生理分析揭示：CALB2神经元具有更小的膜电容(31.72±3.35 pF)、更高的输入电阻和更快的动作电位(半宽0.83±0.03 ms)；而FOXP2神经元表现出更大的膜电容(88.46±9.05 pF)和更宽的动作电位(半宽1.30±0.13 ms)。自发活动记录显示69.7%的CALB2神经元存在基础放电，频率达2.65±0.53 Hz，显著高于FOXP2神经元(28.0%，1.60±0.69 Hz)。

细胞类型特异性光遗传学操控
CALB2-ChIEF细胞在光学刺激下能可靠产生动作电位(25-50 Hz)，而FOXP2-ChIEF仅引起2-9 mV去极化。通过共表达DLX2.0-YFP和hSyn-mCherry标记突触后细胞，发现CALB2神经元既向局部中间神经元(37.5%)也向锥体神经元(21.4%)提供抑制性输入，部分锥体神经元(14.3%)还接收兴奋性输入。

细胞群体活动的特异性监测
GCaMP7f钙成像显示，FOXP2靶向群体的活动相关性(Fisher's Z=0.639)显著高于CALB2群体(0.402)。烟碱(300 μM)处理使CALB2神经元钙信号幅度增加2.52±0.9倍，而对FOXP2神经元无显著影响，这与转录组分析显示的CHRNA2亚基在CALB2神经元中高表达一致。

这项研究的结论部分强调，CellREADR技术通过RNA编程实现了对人类大脑皮层特定神经元类型的精准访问，克服了传统方法的局限性。其重要意义体现在三个方面：首先，该技术不依赖物种特异的增强子元件，可直接靶向人类特异的细胞类型；其次，传感器设计具有高度可编程性，可快速适配新靶点；最后，多效应器兼容性支持从标记、记录到操控的完整实验流程。特别值得注意的是，在人类组织中获得的结果与啮齿类模型存在显著差异，如FOXP2神经元在人类皮层中的广泛分布和CALB2中间神经元的独特生理特性，凸显了直接研究人类神经元的必要性。

这项研究为人类神经科学研究提供了突破性工具，未来可通过设计更全面的传感器库，结合新兴的神经调控技术，深入解析人类特有的神经环路机制，并为神经系统疾病的精准治疗开辟新途径。正如作者所言，这项技术"将人类离体组织系统提升为基础研究平台，为针对人类脑部疾病的细胞类型和环路特异性治疗提供了转化桥梁"。