iPSC来源的脑类器官揭示双相情感障碍中线粒体-炎症小体轴与神经元易损性的分子机制

本研究通过iPSC（诱导多能干细胞）衍生的脑类器官模型，首次系统揭示了双相情感障碍（BD）中线粒体功能障碍与NLRP3炎症小体激活的恶性循环机制。研究人员发现BD类器官存在ATP合成减少、线粒体膜电位（MMP）降低及活性氧（ROS）升高等特征，并证实NLRP3抑制剂MCC950和生物活性黄酮提取物（BFE）可部分逆转病理表型，为开发靶向线粒体-炎症轴的新型疗法提供了实验依据。

　　

双相情感障碍（Bipolar Disorder, BD）作为一种复杂的神经精神疾病，长期困扰着全球约1%的人口。患者不仅承受着情绪极端波动的痛苦，更面临着代谢综合征、心血管疾病早发等躯体并发症，导致预期寿命缩短12-14年。尽管现有研究已发现BD患者存在前额叶皮层结构异常、线粒体电子传递链（ETC）功能受损等特征，但传统动物模型和二维细胞培养难以模拟人脑复杂的微环境，使得线粒体功能障碍与神经炎症的相互作用机制始终成谜。

为突破这一瓶颈，多伦多大学Ana Cristina Andreazza团队在《Translational Psychiatry》发表创新性研究，首次将3D脑类器官（Cerebral Organoids, COs）技术引入BD机制探索。研究团队从3名BD患者和3名健康对照者外周血单核细胞（PBMCs）中成功构建iPSC系，并分化出包含神经元、星形胶质细胞的脑类器官。通过整合代谢组学分析、线粒体膜电位（MMP）检测、透射电镜超微结构观察、局部场电位（LFP）记录等高通量技术，结合NLRP3炎症小体激活实验和药物干预研究，系统解析了BD的分子病理机制。

关键实验方法

1. 1.

   iPSC衍生脑类器官培养：通过V型底板形成胚胎体，Matrigel包埋后培育6个月获得含神经前体细胞、MAP2⁺神经元和GFAP⁺星形胶质细胞的3D结构

2. 2.

   线粒体功能评估：JC-1染色测膜电位，MitoTracker Red染色观察形态，透射电镜定量圆形线粒体比例

3. 3.

   神经电生理：多电极阵列记录局部场电位，分析峰电位频率和功率谱密度

4. 4.

   NLRP3激活实验：LPS+尼日利亚菌素刺激后，免疫荧光定量ASC斑点形成

5. 5.

   治疗干预：采用NLRP3抑制剂MCC950和巴西莓来源生物活性黄酮提取物（BFE）进行挽救实验

研究结果

临床特征与iPSC验证

BD患者血浆显示线粒体代谢物紊乱，包括柠檬酸降低而NAD⁺升高。成功构建的iPSC系经核型分析和Epi-Pluri-Score验证具备多能性，分化出的类器官含有标准比例的SOX2⁺神经前体细胞（~30%）、NeuN⁺神经元（~45%）和GFAP⁺星形胶质细胞（~25%）。

神经元超兴奋性

6月龄BD类器官的LFP记录显示：峰电位频率较对照组增加2.1倍（P<0.01），功率谱密度在高频段（>20Hz）差异尤为显著，印证了BD特征性神经元网络过度活跃。

线粒体形态功能异常

透射电镜发现BD类器官圆形线粒体占比达67%（对照组41%，P<0.05），JC-1检测显示红/绿荧光比值降低38%，表明膜电位显著去极化。ATP产量减少42%（CellTiter-Glo检测），葡萄糖-6-磷酸（G6P）水平下降31%，提示糖酵解-氧化磷酸化偶联受损。

炎症级联反应

BD类器官培养上清中检测到：活性氧（ROS）增加2.3倍，双链DNA（dsDNA）释放量升高1.8倍，线粒体来源游离DNA（ccf-mtDNA）水平达对照组的2.7倍。NLRP3炎症小体激活实验显示，BD类器官ASC斑点形成率较基线增加275.8%（对照组141%），证实其对炎症刺激存在超敏反应。

治疗干预效果

MCC950处理使BD类器官ASC斑点减少61%，BFE处理降低43%。两者均能部分恢复线粒体膜电位，其中MCC950使ATP产量回升至对照组的85%。

结论与展望

该研究首次在三维人脑模型中证实：BD存在线粒体形态异常→能量危机→神经元超兴奋→mtDNA泄漏→NLRP3激活→线粒体进一步损伤的恶性循环。创新性发现包括：①圆形线粒体比例可作为BD的新型形态学标志物；②星形胶质细胞NLRP3炎症小体激活敏感性显著高于神经元；③天然黄酮化合物BFE具有与合成药物MCC950相当的抗炎潜力。

研究建立的iPSC-COs平台不仅克服了传统BD模型的物种局限性，更通过模拟人脑发育过程，为解析神经精神疾病的时空动态机制提供了全新工具。未来可进一步整合微流控芯片、单细胞测序等技术，探索线粒体-炎症轴与钙信号（Ca²⁺）紊乱的交互作用，推动靶向MCU（线粒体钙单向转运体）的精准治疗策略开发。