人诱导多能干细胞（iPSCs）在罕见神经系统疾病中的应用：疾病建模与药物发现的机遇与挑战

《Stem Cells International》：Human Induced Pluripotent Stem Cells in Rare Neurological Disorders: Opportunities and Challenges for Disease Modeling and Drug Discovery

　　

罕见病是一种影响少数人群的疾病。在大多数情况下，罕见病具有已知的遗传病因，但也可能与其他促成因素相关。由于遗传和表型异质性，受累个体可能表现出多种症状，因此罕见病的漏诊或误诊很常见。尽管存在巨大的未满足需求，且可用的治疗选择有限，但罕见病的低发病率和患病率仍是开发新疗法的障碍。这一点在罕见神经系统疾病中尤为突出，因为研究中枢神经系统（CNS）疾病的起始和进展机制存在重大困难。近期生物技术的进展，特别是利用人诱导多能干细胞（iPSCs）进行疾病建模，为提供一个灵活的平台发挥了重要作用，该平台不仅能反映遗传扰动对CNS疾病发生的影响，还能为复杂的多因素疾病提供见解。无论人iPSCs来源于受累个体，还是通过基因编辑工具对健康个体细胞进行修饰，现在都可以获得有价值的模型来研究这些罕见疾病。在这篇叙述性综述中，研究人员探讨了人iPSC模型相对于其他原代细胞系和动物模型平台在疾病建模和药物发现中的优势，并讨论了iPSC在罕见神经系统疾病研究中应用的局限性和未来方面。

### 1. 引言

罕见病在欧盟和世界卫生组织（WHO）的定义中是指患病率低于1/2000的疾病，全球受影响人数约3亿，其中约80%具有遗传起源。由于患者数量少、遗传异质性高、临床表现复杂，罕见病长期存在诊断延迟和治疗选择有限的问题。人诱导多能干细胞（iPSCs）技术由体细胞重编程而来，能够分化为神经元、心肌细胞、肝细胞等多种细胞类型，并可用于生成三维（3D）类器官。该技术使研究人员能够在人类细胞背景下研究疾病机制，尤其适用于难以获取活体神经组织的罕见神经系统疾病，为疾病建模和药物发现提供了重要平台。

### 2. 罕见神经系统疾病——现代医学中未解决的问题

罕见神经系统疾病（RNDs）涵盖脑白质营养不良、线粒体脑病、遗传性共济失调、脊髓性肌萎缩症（SMA）、Rett综合征等多种疾病，常呈进行性、致残性病程，给患者、家庭和医疗系统带来沉重负担。许多患者经历漫长的“诊断之旅”，确诊往往滞后数年，甚至错过干预窗口。尽管SMA的基因靶向治疗取得了突破，但大多数RNDs仍缺乏改善病程的治疗手段。

#### 2.1 当前研究工具的局限性

活体神经组织的不可及性严重制约了RND研究，尸检组织通常仅反映晚期病理变化。传统动物模型无法完整复现人类遗传背景、表观调控以及神经元-胶质细胞相互作用的复杂性，导致临床前研究转化效率低下。尽管下一代测序技术提高了突变检出率，但从遗传发现到机制阐明和靶向治疗的转化仍然缓慢，亟需可扩展、患者特异、生理相关的人类细胞平台。

#### 2.2 通过疾病实例看未解决问题

SMA虽因反义寡核苷酸和基因替代疗法成为成功范例，但治疗成本和全球可及性引发健康公平问题。尼曼-匹克病C型平均诊断延迟超过5年，新疗法费用高昂。POLG相关线粒体病表型异质性大，现有动物模型难以捕捉。Rett综合征由MECP2基因突变引起，发病机制涉及神经元和胶质细胞功能障碍，虽然trofinetide已获FDA批准，但总体治疗转化仍面临挑战。

### 3. 使用人iPSC建模罕见神经系统疾病：现有平台、优势与局限

人iPSC技术可将患者体细胞重编程至多能状态，再定向分化为疾病相关神经细胞，生成2D单层培养或3D类器官，从而在患者特异性遗传背景下模拟疾病病理。

#### 3.1 利用人iPSC疾病建模的药物发现平台

药物发现平台已从简单单层培养发展为包含小胶质细胞、星形胶质细胞和血管组分的多细胞系统，能够长期维持细胞活性并模拟神经炎症、突触功能障碍等过程。标准化方案、核心设施和质量控制措施提高了跨实验室可重复性，自动化与微型化支持高通量化合物筛选，为药物开发提供了可扩展的基础。

#### 3.2 从iPSCs生成2D神经细胞与3D类器官

2D分化策略包括定向分化和转录因子诱导两种途径。定向分化通过双SMAD抑制和形态发生素处理产生特定神经元亚型，如皮层谷氨酸能神经元、GABA能中间神经元、脊髓运动神经元和中脑多巴胺能神经元；转录因子诱导（如NGN2）则快速生成较均一的兴奋性神经元。胶质细胞可通过相应方案获得。3D培养分为非引导类器官和引导类器官，并可通过融合形成assembloids、空气-液体界面培养或血管化处理增强结构复杂性和功能性。单层培养适合细胞自主表型和高通量筛选，类器官则更适用于研究组织结构和细胞间相互作用。

#### 3.3 2D与3D iPSC模型在罕见神经系统疾病建模与药物发现中的应用

2D患者特异性神经元已用于SMA、Rett综合征、Dravet综合征、Friedreich共济失调、Charcot-Marie-Tooth病（CMT）等疾病，能够呈现选择性运动神经元退化、突触功能异常、兴奋性改变等表型，并与等基因对照结合进行机制研究和药物筛选。3D脑类器官进一步揭示了Miller-Dieker综合征中的神经祖细胞迁移和分裂缺陷、结节性硬化症中的神经元-胶质相互作用，并能复现淀粉样斑块样、tau缠结样病理，结合高内涵成像用于药物评价。

#### 3.4 iPSC模型相对于动物模型和原代细胞系模型的优势

iPSC模型能够捕获人类特异性疾病机制，保留患者完整遗传背景和修饰因素，从而反映疾病异质性。iPSCs可无限扩增，不受原代神经元取材困难和有限增殖的限制，在标准化条件下具有更好的可重复性和成本效益，同时避免胚胎干细胞研究的伦理问题和动物实验福利问题，并可在较短时间内验证治疗假设。

#### 3.5 基于iPSC的模型用于中枢神经系统药物发现的局限性

现有iPSC模型无法完全概括成熟人脑的多维结构和功能连接；分化细胞多处于胎儿或早期出生后阶段，难以模拟年龄相关性退行疾病；培养时限常短于人类病程，可能遗漏慢性进展过程。不同实验室间重复性不足，基因-环境相互作用难以纳入，同时缺少功能性血脑屏障（BBB）组分，限制了对药物穿透性的评估。复杂3D器官系统成本高、通量低，体外表型与临床结局的相关性尚待建立。

#### 3.6 CRISPR/基因组编辑在疾病建模中的应用

CRISPR/Cas9介导的基因编辑可在患者iPSCs中生成等基因对照系，引入或纠正致病变异。同源定向修复（HDR）可实现精确编辑，碱基编辑和先导编辑能完成单碱基转换或小片段插入缺失而不依赖双链断裂。基于CRISPR干扰/激活（CRISPRi/a）的功能基因组学筛选可在iPSC来源神经元中调节基因表达。编辑后需通过测序验证目标位点、排除脱靶效应及基因组异常，并比较多个独立克隆以确保结果可靠性。

### 4. iPSCs目前用于罕见神经系统疾病建模的情况

患者特异性iPSCs已广泛应用于多种RNDs。Rett综合征iPSC神经元再现MECP2相关突触和成熟缺陷；SMA iPSC运动神经元显示选择性易损性，并通过高通量筛选鉴定出调节SMN表达的化合物。遗传性痉挛性截瘫iPSC神经元表现轴突肿胀和微管异常，miR-33a抑制可改善表型。Miller-Dieker综合征脑类器官显示神经祖细胞死亡和运动障碍。Friedreich共济失调iPSC衍生细胞用于ROCK激酶靶点发现和药物测试。Pompe病iPSC来源肌细胞和心肌细胞再现糖原积聚。Dravet综合征iPSC神经元和类器官用于高兴奋性及心律失常研究。CMT iPSC分化为施万细胞和神经元，并通过CRISPR纠正突变以恢复表型。结节性硬化症iPSC模型显示mTOR通路过度激活和类器官异常。Sturge-Weber综合征等少数疾病目前仍缺乏患者来源iPSC模型。

### 5. 未来机遇

未来有望建立多能干细胞资源库，通过基因编辑构建等基因细胞系，用于模拟多种单基因、染色体和复杂遗传疾病。iPSC技术在细胞替代疗法中具有广阔前景，患者自体细胞经基因校正后移植可降低免疫排斥风险，有望推动“以自身细胞治疗自身疾病”的个性化医疗。同时仍需改进分化方案，确保细胞在体内的长期存活、功能整合和治疗效能。

### 6. 结论

人类iPSCs为罕见神经系统疾病的机制研究和药物发现提供了前所未有的转化平台，结合CRISPR基因编辑和3D培养技术已步入转化神经科学的前沿。尽管存在细胞成熟度不足、长期病程模拟困难等挑战，但通过严格标准化、多学科协作和伦理承诺，iPSC技术有望重新定义罕见病研究格局，加速新药发现并促进个性化治疗策略的实现。