神经退行性疾病类器官模型中免疫细胞不可缺位

《PLOS Biology》：Cellular diversity in neural organoids is critical for neurodegenerative disease modeling

　　神经炎症和血管功能障碍是大多数神经退行性疾病的标志性特征。因此，对于旨在模拟神经退行性变的类器官而言，免疫细胞和血管细胞应被视为基本组成部分，而非可选的附加项。由人多能干细胞（iPSC）衍生的类器官已经改变了我们模拟人类大脑发育和神经发育障碍的能力。它们的价值恰恰在于能够重建传统二维培养无法捕捉的细胞多样性、三维结构及相互作用。然而，当这些相同的技术被应用于神经退行性疾病时，一种熟悉的还原论范式便出现了：引入疾病相关突变，在类器官中产生神经元，并开发检测神经元功能和存活的检测手段。尽管这种方法对于推进我们理解神经元内在缺陷——如自噬受损、代谢缺陷、蛋白质稳态丧失和电生理改变——仍然至关重要，但它并不能解决神经退行性变的非细胞自主性贡献。与许多神经发育障碍不同，神经退行性变并非仅由神经干细胞或早期神经元发育的内在缺陷所驱动，而是源于在数十年的衰老过程中，神经元、胶质细胞、血管细胞、免疫细胞及其微环境之间动态相互作用的变化以及神经元本身的内在缺陷。因此，我们认为缺乏免疫或血管成分的类器官遗漏了神经退行性变的基本生物学。在神经退行性变中，尽管特定的神经元亚型是最终死亡的细胞，但神经元死亡不太可能代表疾病过程的开始。越来越多的证据表明，星形胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞和内皮细胞在明显的神经退行性变之前就经历了疾病相关的变化。因此，神经退行性变越来越被理解为细胞自主性和非细胞自主性过程共同作用的结果，其中一种细胞类型的病理性变化可以引发或放大另一种细胞类型的功能障碍。这种更广泛的视角也可能有助于解释为何以神经元保护为主要策略的治疗方法在数十年的密集研究后仅取得了有限的临床成功，并强调了考虑非神经元细胞和病理性细胞-细胞相互作用作为治疗靶点的重要性。如果疾病是由多种细胞类型之间的相互作用引发或维持的，那么仅保护神经元可能是不够的。因此，神经退行性疾病建模的下一个前沿不应仅仅是使大脑类器官更加复杂，而是使其更加符合疾病情境。如果神经炎症是发病机制的基本组成部分，那么免疫细胞就必须被纳入类器官。如果血管功能障碍是疾病病理的核心，那么内皮细胞应该被纳入类器官。目标不应是重现人类大脑的每一个组成部分，而是重建模拟疾病过程所必需的细胞相互作用。在参与神经退行性变的非神经元细胞中，小胶质细胞值得特别关注。小胶质细胞是中枢神经系统的常驻免疫细胞，通过采用从促炎到抗炎的一系列表型来响应胞外环境的变化。小胶质细胞具有高度异质性，展现出在疾病、损伤或局部微环境变化中出现的多样化分子和功能状态。多年来，小胶质细胞主要被视为对神经元损伤的反应者。激活的小胶质细胞被认为是神经退行性变的后果，而非主要贡献者。这一观点已经发生了很大变化。神经退行性疾病的遗传学提供了小胶质细胞具有因果作用的有力证据。例如，*TREM2*突变于2012年首次被鉴定为阿尔茨海默病的遗传风险因素。在大脑中，TREM2主要在小胶质细胞中表达，并作为细胞表面受体感知驱动吞噬作用的细胞损伤。研究现已令人信服地表明，用*Trem2*野生型小胶质细胞替代*Trem2*突变型小胶质细胞可减少阿尔茨海默病小鼠模型中的疾病表型。这些观察结果表明，小胶质细胞功能障碍会影响神经元疾病表型的启动和进展。如果小胶质细胞功能障碍能够影响神经退行性疾病进展，那么排除小胶质细胞的类器官将无法复制其旨在模拟的一个关键细胞过程。这些发现对药物发现具有直接影响。神经退行性变中的大多数表型筛选以神经元单一培养为基础，化合物根据相对简单的终点——如神经元存活、神经突形态或蛋白质聚集——进行评估。这些检测适用于高通量筛选，但假设治疗靶点位于神经元内。如果并非如此呢？一种在孤立状态下能保护神经元的候选药物可能在体内失败，因为它没有纠正病理性的神经微环境。如果像阿尔茨海默病和肌萎缩侧索硬化症这样的神经退行性疾病至少部分是由小胶质细胞等非神经元细胞的早期功能障碍驱动的，那么主要基于神经元单一培养的治疗筛选范式可能需要根本性的重新评估（图1）。图1. 神经退行性疾病中基于类器官的治疗发现愿景。纳入小胶质细胞和其他疾病相关细胞类型的人多能干细胞衍生物类器官提供了对神经退行性变中神经免疫串扰的良好近似。可扩展的小分子或CRISPR扰动筛选与空间和单细胞多组学以及整体类器官成像相结合，以识别逆转疾病相关表型和发现治疗靶点的扰动。整合分析能够确定体内验证的靶点优先级，目标是提高治疗成功的几率。该图由ChatGPT（OpenAI, GPT-4o）协助生成。为缩小神经退行性疾病研究与下游临床转化之间的差距，该领域应朝着为设计用于模拟神经退行性变的类器官制定明确基准的方向发展。至少，旨在模拟神经退行性疾病的类器官应包含不仅相关的神经元和星形胶质细胞群体，还应包含功能性神经免疫成分，包括小胶质细胞。重要的是，仅存在小胶质细胞不应被视为充分条件。这些细胞应表现出适当的成熟、空间定位以及在神经环境刺激下相应的分子状态。当血管功能障碍是某种特定疾病的核心时，血管成分也应类似地被纳入。最终，基准应是疾病相关性，而非为复杂而复杂。没有任何疾病模型能够完全重现人类疾病的复杂性，但重要的是明确界定模型旨在回答的生物学问题，以及它无法捕捉的局限性。随着类器官系统变得越来越复杂，能够解析多细胞相互作用的技术将同等重要。单细胞和空间分析可以确定类器官中的细胞状态是否类似于人类疾病中观察到的状态，而遗传和药理学扰动可以确立特定细胞类型或信号通路是否具有因果关系而非仅仅与病理相关。整体类器官成像、自动化表型筛选和计算建模可以进一步实现对疾病相关状态如何在类器官中涌现、相互作用和传播的纵向探究（图1）。最终，下一代类器官的价值将不由它们在解剖学上多大程度地类似于人类大脑决定，而取决于它们是否能够实现驱动疾病的细胞相互作用的重新构建。对于神经退行性变，我们认为小胶质细胞是这一等式中的核心。一个没有小胶质细胞的类器官可能仍然是一个有用的模型，但对于神经免疫功能障碍是发病机制固有组成部分的疾病而言，它不应再被视为神经退行性变的完整模型。参考文献