《Advanced Science》：Unraveling the Morphological and Functional Maturation Mechanisms Underlying Human Neural Development Using iPSCs-Derived Neuronal Model
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本文开发了一种新型小分子与蛋白质组合（SMP）方案，可快速诱导人诱导多能干细胞（hiPSCs）分化为具有成熟形态与电生理功能的神经元。研究发现L型钙通道Cav1.2/Cav1.3介导的钙内流是神经元早期形态发生的关键，并首次揭示ECEL1通过调控CALM3表达，促进电压门控钠通道（VGSCs）组装，驱动神经元功能成熟。该模型为研究人类神经发育机制提供了高效平台。
人类神经发育机制研究的体外模型构建
本研究通过结合小分子化合物与蛋白质（SMP）的创新方案，建立了从人诱导多能干细胞（hiPSCs）快速分化功能性神经元的体外模型。该方案在3天内即可诱导hiPSCs形成具有复杂突起的神经元样细胞，15天后表达成熟神经元标志物（TUJ1、MAP2、NF-H、NeuN），30天后具备重复动作电位发放能力。与传统SMAD抑制方案相比，SMP方案将分化周期从数周缩短至1个月，且分化效率显著提升（神经元标志物阳性率达94%以上）。
神经元形态发生的核心机制
研究通过动态显微成像发现，SMP诱导4小时后即可观测到神经突快速生长。进一步机制研究表明，ROCK抑制剂Y27632和cAMP激活剂（毛喉素、db-cAMP）通过调节肌动蛋白聚合（F-肌动蛋白/G-肌动蛋白比值升高1.5倍）驱动生长锥形成。关键的是，L型电压门控钙通道Cav1.2（由CACNA1C编码）和Cav1.3（CACNA1D）介导的钙内流是形态发生的必要条件：基因敲除实验显示，CACNA1C或CACNA1D缺失使具有突起的细胞比例从92%分别降至53.5%和40.2%。
ECEL1-CALM3轴调控功能成熟
转录组分析发现，内皮素转换酶样1（ECEL1）在分化过程中表达上调380倍。功能实验证实，ECEL1通过调控钙调蛋白3（CALM3）影响电压门控钠通道（VGSCs）组装：ECEL1敲低使SCN2A/SCN3A/SCN9A表达量下降至对照的1.2%-5.6%，钠电流密度从-44 pA/pF降至-9 pA/pF；而过表达ECEL1可挽救上述表型。共免疫沉淀实验表明ECEL1与CALM3存在间接调控关系。
神经网络功能验证
分化30天的神经元表现出自发性兴奋性突触后电流（sEPSCs），振幅达-85.8±8.8 pA，微电极阵列（MEA）记录到θ（4-8 Hz）、β（13-30 Hz）等多频段神经振荡。值得注意的是，该模型主要生成谷氨酸能神经元（vGlut1+细胞占比88.7%），而GABA能神经元比例较低（2.0%），这解释了为何未检测到抑制性突触电流（sIPSCs）。
该研究不仅提供了研究人类神经发育的高效平台，更揭示了ECEL1/CALM3通路在神经元功能成熟中的核心作用，为神经发育障碍疾病建模提供了新思路。
