《WIREs Mechanisms of Disease》：A Hierarchical Framework for In Vitro Models of Alzheimer's Disease
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阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）仍是全球重大健康挑战，临床试验失败率居高不下，这通常归因于传统实验模型的转化预测价值有限。体外系统，涵盖从诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell, iPSC）来源
阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）仍是全球重大健康挑战，临床试验失败率居高不下，这通常归因于传统实验模型的转化预测价值有限。体外系统，涵盖从诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell, iPSC）来源的神经元到复杂三维（three-dimensional, 3D）类器官，已成为在受控实验环境中研究疾病机制的有前景的替代方案。然而，其快速扩张导致了碎片化的命名体系和异质性的分类方案。在本系统综述中，研究人员提出一个分层框架，根据体外AD模型的架构复杂性及其所设计解决的生物学问题对其进行分类。研究人员将这些平台组织为四个递进层级：基因定义的iPSC来源的细胞自主模型、基于刺激的还原论模型、依赖相互作用的神经元-胶质细胞共培养体系，以及先进的多细胞3D或神经血管平台。研究结果表明，低复杂度模型（第1层和第2层）特别适用于解析细胞内在的遗传驱动因素和急性毒性信号传导，但往往无法捕获AD特征性的慢性多细胞反馈环路和血管功能障碍。相比之下，高复杂度系统（第3层和第4层），包括器官芯片平台和血管化类器官，提供了模拟神经炎症和网络水平退化所需的空间和生理背景，尽管它们呈现出更大的技术变异性。最后，研究人员提出一种整合性分层策略，将模型选择与特定病理问题相匹配。通过将细胞复杂性与机制性目标联系起来，该框架为提升实验严谨性、促进跨研究可比性以及支持开发更具预测性的AD实验模型提供了结构化路线图。
1 引言
阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）是痴呆的首要病因，占全球超过5700万痴呆病例的约60%–70%。随着人口老龄化持续加速，AD患病率预计将在未来数十年显著增加，构成现代社会主要的医学和社会经济挑战之一。
在神经病理学上，AD以细胞外淀粉样蛋白-β（amyloid-β, Aβ）斑块的积累和由过度磷酸化tau蛋白组成的细胞内神经原纤维缠结为特征。除这些经典标志物外，神经炎症已作为疾病进展的核心贡献因素而非蛋白聚集的单纯继发反应而出现。这一炎症成分主要由胶质细胞介导，特别是小胶质细胞和星形胶质细胞。尽管少突胶质细胞也参与神经炎症，但其参与在自身免疫性疾病中得到了更广泛的表征，并且在当前体外AD建模领域中代表性较低。
小胶质细胞作为中枢神经系统的常驻免疫细胞，最初通过清除Aβ聚集体和细胞碎片发挥保护功能。然而，慢性暴露于淀粉样蛋白种类和损伤相关信号导致持续的小胶质细胞激活以及促炎介质如IL-1β、IL-6和TNF-α的释放。这种持续的炎症环境导致突触功能障碍、神经元损伤以及神经退行性过程的放大。星形胶质细胞也响应炎症信号和淀粉样蛋白沉积而发生深刻的表型变化，采用反应性状态，进一步扰乱神经元稳态和代谢支持。
尽管经过数十年的深入研究，AD的有效疾病修饰疗法开发仍然有限。超过200个治疗项目在临床开发期间失败，凸显了该疾病的深刻复杂性以及当前实验模型的局限性。这一转化差距的主要贡献因素是在临床前系统中准确重现AD多因素且主要为散发性本质的困难。
动物模型，特别是转基因啮齿动物模型，对于理解淀粉样蛋白和tau病理的特定方面至关重要。然而，物种之间在神经生物学、免疫反应和遗传风险因素方面的根本差异限制了其准确重现人类疾病机制的能力。因此，许多在动物模型中显示有前景结果的治疗策略未能在临床试验中证明有效性。
针对这些局限性，过去十年涌现了广泛的体外模型，特别是人源系统。这些包括iPSC来源的神经元和胶质细胞培养、神经元-胶质细胞共培养系统、三维脑类器官以及微流控器官芯片平台。此类系统为研究AD相关的人类特异性细胞机制和遗传风险因素提供了前所未有的机会。然而，这些实验平台的快速扩张也导致了模型分类的碎片化格局。大多数现有描述根据技术特征或细胞组成对系统进行分类，而非根据其设计解决的生物学问题。这种概念组织的缺乏使模型选择复杂化并限制了跨研究可比性。
在此背景下，对体外AD模型进行结构化综合的需求日益增长。本系统综述并非简单编目可用技术，而是根据其生物学目标、病理驱动因素和生物学整合水平组织这些平台。具体而言，研究人员提出一个将体外AD模型分类为四个递进层级的框架，从基因定义的iPSC来源的细胞自主模型延伸到复杂的、多细胞的和空间组织的平台。通过将不同水平的生物学整合与其解决的生物学问题类型联系起来，该框架旨在为选择适当的实验系统和提高AD研究的转化相关性提供实用指南。
2 方法
2.1 研究设计
进行了系统文献综述以识别和分析AD的实验性体外模型。方法遵循PRISMA 2020指南。范围主要集中于人源细胞系统，同时允许纳入符合预定资格标准的非人类体外系统，特别是那些包含神经胶质相互作用的系统并评估AD相关表型如神经炎症、淀粉样蛋白加工或tau病理的系统。
2.2 信息来源与检索策略
主要文献检索在PubMed/MEDLINE数据库中进行。Web of Science用作补充多学科数据库。检索策略旨在识别采用AD体外细胞模型的实验研究，包括单培养、共培养以及涉及神经元和胶质细胞的多细胞系统。
2.3 研究选择与资格标准
初始PubMed检索识别了621条记录。两名评审者独立根据预定资格标准筛选标题和摘要。Web of Science中的补充检索识别了五项符合所有纳入标准的额外研究。全文评估后，共有50项研究纳入最终定性综合。
2.4 资格标准
纳入标准包括关注体外AD模型的原始实验研究，包括人源细胞系统和与AD相关病理相关的选定非人类实验平台。研究必须评估核心AD相关表型，包括Aβ加工、tau病理、神经炎症反应和突触功能障碍，以及新兴标志物如氧化应激或血脑屏障完整性。排除标准包括体内动物研究、临床试验、纯计算或计算机模拟模型、二次文献以及体外模型非核心实验平台的研究。
2.5 数据提取
对所有符合纳入标准的研究进行了标准化数据提取过程。系统收集以下信息：模型类型、细胞组成、病理策略、表型结果和关键评估。
2.6 质量评估与方法学考量
通过实验设计、模型表征、技术严谨性、可重复性和报告透明度的定性评估来评价纳入研究的方法学质量。鉴于体外AD模型的方法学异质性，未进行正式偏倚风险评估。
2.7 模型分类框架
遵循无荟萃分析综合指南进行了叙述性综合。纳入研究根据三个核心维度组织：解决的主要生物学问题、采用的病理驱动因素以及实验系统代表的生物学整合水平。在此框架内，模型被分类为四个不同层级：第1层为细胞自主iPSC来源模型；第2层为基于刺激的诱导模型；第3层为AD特异性神经胶质共培养系统；第4层为先进的多细胞和空间组织体外平台。
3 结果
共有50项研究符合纳入标准并纳入定性综合。根据所提出的概念框架，识别模型被组织为四个层级类别：细胞自主iPSC来源模型（第1层；n=7）、基于刺激的诱导模型（第2层；n=11）、AD特异性神经胶质共培养系统（第3层；n=16）以及先进多细胞或空间组织体外平台（第4层；n=16）。
3.1 细胞自主iPSC来源模型
iPSC来源系统代表基础层级，作为AD的基因定义体外模型。通过重编程来自健康供体或携带家族性或散发性AD背景的患者的体细胞，这些平台能够在受控实验环境中生成神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞样细胞。此类平台对于研究GWAS识别的遗传风险因素如何在细胞水平影响早期病理至关重要。在神经元iPSC来源系统中，基因定义背景如家族性AD遗传变异或21三体已显示可诱导内源性淀粉样蛋白生成加工、Aβ42积累和tau过度磷酸化。类似地，携带APOE ε4等风险等位基因的iPSC来源星形胶质细胞表现出脂质代谢改变和神经营养支持减弱，导致神经元存活和突触完整性降低。尽管有其优势，iPSC来源模型存在重要局限性。重编程重置了年龄相关的表观遗传和代谢特征，导致发育不成熟的细胞状态，可能无法完全捕获晚发疾病过程。此外，简化的单培养或有限的共培养配置缺乏人脑的完整细胞多样性和空间组织。
3.2 基于刺激的AD神经元模型
基于刺激的模型代表实验上易处理的平台，其中离散病理特征通过定义的外部扰动而非内源遗传驱动因素诱导。该类别中占主导的三种主要范式是淀粉样蛋白诱导毒性、氧化或线粒体应激诱导以及炎症或代谢扰动。最广泛使用的实验策略是暴露于外源性Aβ1-42。在人神经元细胞系中，Aβ处理一致诱导线粒体去极化、活性氧、神经突回缩和凋亡激活。第二个实验轴涉及氧化和线粒体应激范式。化学诱导tau过度磷酸化以及通过线粒体自噬相关通路和ER-线粒体功能障碍模型的氧化应激调节，一致识别受损的生物能量学和自噬失衡为早期细胞脆弱性。炎症驱动和代谢扰动模型代表该层级内的第三大亚组。然而，这些病理变化通常在短实验时间框架内发生，并主要依赖永生化或发育不成熟细胞系。急性肽暴露或化学诱导因此无法完全重现人类AD特征的慢性进展、年龄相关表观遗传变化和多细胞反馈机制。
3.3 AD特异性神经元-胶质细胞共培养系统
AD特异性共培养代表过渡复杂性水平，其中病理驱动因素在依赖相互作用的细胞环境中运作。与单培养或纯基于刺激的模型相比，这些平台明确设计用于探究神经元-胶质细胞串扰如何塑造疾病相关表型。该类别纳入研究中的一致观察是胶质细胞基因型和激活状态决定性地调节神经元脆弱性。在包含携带APOE变异或家族性AD遗传变异的星形胶质细胞的iPSC来源共培养模型中，神经元存活、突触完整性和tau传播受到星形胶质细胞基因型的显著调节。含小胶质细胞的共培养和三培养平台进一步扩展了这些发现，证明炎症信号传导和吞噬活性深刻影响淀粉样蛋白动力学和神经元弹性。这些模型揭示Aβ诱导的神经毒性和突触丢失因所有三种细胞类型的协同相互作用而显著加剧。共培养模型已显示与单培养相比更准确地重现细胞类型特异性传播、基因型依赖性炎症反应和由胶质功能障碍驱动的突触脆弱性。
3.4 先进的多细胞和空间组织体外AD平台
在框架内最高架构复杂性水平，先进多细胞和三维体外模型旨在空间组织和依赖相互作用的细胞环境中重现AD。这些模型通过整合神经血管成分、细胞外基质、微流控区室化或类器官样架构而超越简化共培养。许多这些模型的共同特征是神经血管元素在结构化环境中的整合。工程化3D神经血管和血脑屏障平台证明内皮-星形胶质细胞相互作用关键调节淀粉样蛋白处理、炎症信号传导和屏障通透性。三维生物工程神经组织和类器官来源模型进一步揭示在2D培养中不可观察的时间依赖性表型。患者来源的3D构建体发展出进行性Aβ积累、网络水平功能障碍和与晚期阿尔茨海默病理一致的转录特征。微流控和器官芯片技术引入空间区室化、流体控制和定向连接性。更先进的器官芯片平台将微流控控制与三维细胞外基质、多种相互作用细胞类型、组织样组织、连续灌注以及在某些情况下神经血管或血脑屏障界面整合。
4 讨论
本系统综述建立的分层框架为解释体外AD模型的当前格局提供了结构化视角。关键见解是神经炎症单元在塑造神经元脆弱性中的核心作用。共培养和三培养系统的发现一致证明病理标志物如淀粉样蛋白积累和tau传播不是孤立的神经元事件，而是由胶质反应性和双向信号环路主动调节。在最高复杂性水平，先进3D和神经血管平台通过纳入空间组织和生理背景扩展了这一范式。尽管有这些进展，该领域仍面临显著的转化瓶颈。最持久的局限性之一是iPSC重编程期间年龄相关特征的生物学重置，导致相对不成熟的细胞状态，可能无法完全捕获晚发AD的衰老背景。另一个重要考虑是跨实验平台缺乏标准化。分化方案、细胞组成和读数选择的变异性使跨研究比较复杂化并限制可重复性。
5 结论与未来展望
体外AD模型的演变反映了从还原论范式向系统级复杂性的转变。如本综述所示，没有单一模型能够捕获AD病理的全谱。第1层系统对于分离细胞内在遗传驱动因素高度有效，但其发育不成熟施加了根本限制。相比之下，第4层平台提供了模拟晚期疾病动力学所需的架构和神经血管背景，尽管这些系统常面临可扩展性和标准化挑战。为弥合当前实验台建模与临床转化之间的差距，该领域必须超越选择单一最佳模型的思路。研究人员提出整合性分层策略：利用第1层和第2层平台进行遗传发现和验证；过渡到第3层共培养以研究遗传脆弱性如何通过神经炎症和胶质介导反馈环路被放大；在第4层神经血管和类器官系统中验证发现以评估血脑屏障完整性、tau传播和区域连接性。此外，关键前沿仍是在这些平台中诱导生物学年龄。通过化学老化或progerin策略克服iPSC的表观遗传重置将是准确模拟晚发AD所必需的。
