综述：神经退行性疾病中的生化应激标志物：来自3D细胞模型的见解

《Current Opinion in Structural Biology》：Biochemical stress markers in neurodegeneration: Insights from 3D cellular models

　　

理解神经退行性疾病（NDDs）的多面性仍然是一个重大挑战，由于复杂的细胞内/细胞间现象。本综述探讨了NDDs复杂景观中的生化应激标志物的最新发现，特别关注新型3D细胞培养。最近的研究强调了结构复杂性和细胞串扰的重要性，这些导致类似于在大脑中观察到的反应。然而，诸如血管化和剪切应力（影响实验可重复性）等问题仍然存在。研究人员强调生化应激源在与NDDs相关的细胞相互作用和通讯中的作用，突出了来自外泌体/细胞外囊泡（exosomes/extracellular vesicles）和非编码RNA（noncoding RNAs）作为生物标志物的新兴机遇，以及脑类器官（brain organoids）在转化相关性方面的有用性。通过弥合分子机制和器官功能障碍之间的差距，3D模型成为发现新型治疗诊断生物标志物（theragnostic biomarkers）和开发靶向治疗策略的重要工具。

Cellular stress markers involved in neurodegeneration

神经退行性变是受损细胞过程与细胞间通讯紊乱的复杂相互作用，严重影响神经元功能。本节聚焦于生化应激标志物的最新文献，强调超越传统临床指标（如阿尔茨海默病（AD）中的脑脊液tau和淀粉样β（A_β），或肌萎缩侧索硬化症（ALS）中的神经丝轻链）的新发现，并概述这些动态，旨在强调重塑我们对神经退行性过程理解的新见解。蛋白质稳态相关过程，如泛素-蛋白酶体系统介导的蛋白质降解、未折叠蛋白反应（UPR）和热休克反应，是关键的神经元应激防御机制；衰老导致蛋白质稳态的局部失败，且因细胞区室（轴突与树突）和细胞类型而异。微流控装置能分离神经元胞体与神经突，是研究神经退行性变中亚细胞信号和通路区室化的有用工具，已有使用诱导多能干细胞（iPSC）衍生神经元和神经类器官的实例；类组装体（assembloids）则用于细胞极性和连接性研究，可能通过局部应激防御重建预防神经退行性变。蛋白质聚集体如A_β、tau、TAR DNA结合蛋白43（TDP-43）和α-突触核蛋白（α-synuclein）是多种神经退行性疾病（NDDs）的共同病理标志，包括AD、ALS、帕金森病（PD）、路易体病和额颞叶痴呆；这些聚集体甚至存在于未表现临床体征的个体中。结构生物学进展（包括冷冻电镜（Cryo-EM）、X射线晶体学、核磁共振（NMR）和分子动力学）揭示了淀粉样蛋白（如A_β、α-synuclein和TDP-43）的多种构象多态性，其结构差异决定了与细胞膜和蛋白质质量控制系统的相互作用，影响内质网（ER）应激、线粒体功能障碍、氧化应激等通路。蛋白质稳态改变导致聚集，引起膜水平应激，影响突触通讯，导致氧化应激、突触线粒体功能障碍和兴奋性毒性；在AD中，氧化应激通过β-和γ-分泌酶活性增加A_β积累，且A_β可协调金属（如Cu(II)、Cu(I)、Zn(I)、Fe(II)）促进Fenton反应，加剧活性氧（ROS）产生，突显AD与氧化应激的直接联系。3D基质能更好地再现组织微环境，研究局部ROS梯度及其与A_β聚集体和金属稳态的相互作用。谷氨酸能信号和钙调节失衡导致钙依赖性通路激活，影响线粒体活性、氧化应激和蛋白质错误折叠，最终导致兴奋性毒性；铁、锰、铜、锌等金属浓度的改变已在多项研究中记录。细胞间通讯在NDDs中至关重要，小胶质细胞因年龄相关的代谢和表型转换（由氧化磷酸化基因表达下调引起）成为关键，与星形胶质细胞共同介导炎症和氧化应激；活化小胶质细胞释放的脂滴（LDs）和细胞外囊泡（EVs）及外泌体（携带microRNA等）正被研究作为生物标志物和治疗靶点。此外，NDDs被视作由胰岛素抵抗和慢性炎症驱动的全身性疾病，导致血脑屏障（BBB）功能障碍、胶质细胞活化和神经炎症，并涉及肠-脑轴。总之，细胞和生化标志物历来用于剖析NDDs，而细胞间相互作用和全身因素正日益成为有效治疗开发的生物标志物，创新3D细胞培养为此提供了重要工具。

Organoids as complex and innovative systems for neurodegeneration and cellular stress modeling

类器官是自组织的3D细胞聚集体，再现了天然组织的关键特征、细胞多样性和串扰，可从成体干细胞、iPSCs或胚胎干细胞生成。自2000年代初期发展以来，类器官已成为再现生理和病理机制的有力工具，尤其脑类器官因患者来源神经组织有限和传统2D培养转化相关性差，对研究神经退行性和神经炎症极具价值。脑类器官可定制以模拟不同脑区（前脑、中脑、后脑和脊髓），保留小胶质细胞、星形胶质细胞和少突胶质细胞的相互作用；类组装体通过融合不同类器官，可模拟器官间或脑区间的功能回路，如结合神经和肌肉组织用于研究ALS。这些模型使研究蛋白质聚集、神经元变性、神经炎症和应激反应通路更生理相关，且患者来源iPSCs增强了转化相关性。技术进步解决了类器官的主要局限，如血管化不良和细胞成熟不完全，通过延长培养时间、年龄诱导因子和应激剂获得神经退行性表型；微流控平台、3D生物打印和共培养系统改善了营养输送和分化，但流体系统产生的剪切应力（通过MAPK/PI3K–Akt、Wnt/β-catenin和Hippo–YAP/TAZ通路）会影响结构完整性和可重复性，旋转室系统可减轻此效应。近年研究强调了脑类器官在AD、PD和ALS中建模应激相关神经退行性和神经炎症的实用性：AD研究中类器官展示了代谢和环境应激源与UPR和缺氧转录程序的整合，以及通过单细胞RNA测序揭示AD和PD间的共享分子改变；中脑类器官成功模拟了PD中α-synuclein积累和多巴胺能神经元丢失，以及胰岛素抵抗导致的氧化应激和代谢损伤；ALS中脊髓类器官（ScOs）和神经肌肉类器官用于研究蛋白稳态损伤和慢性氧化应激，并证明家族性ALS（fALS）中慢性氧化应激损害TDP-43剪接活性，支持与散发性ALS（sALS）的机制联系。尽管存在局限，脑类器官在NDD相关生化和细胞应激通路中提供了实质性证据。

Stress mechanisms and the role of cellular crosstalk in 3D culture models of neurodegeneration

细胞应激、炎症和功能障碍源于多种细胞类型的复杂相互作用，而非孤立变化；当前理解主要来自3D模型（如类器官和类组装体）。特定细胞释放的化学介质被邻近细胞感知，导致协调反应，其中细胞因子如TNF-α、IL-1β、IL-6和IFN-γ由小胶质细胞释放，调节星形胶质细胞活化并放大炎症状态。在复杂脑类器官中，微胶质细胞和星形胶质细胞的存在共同诱导了炎症反应，产生趋化因子如CXCL10并放大神经元毒性。神经元并非被动靶标，而是主动放大中枢，通过TREM2通路、补体相关突触修剪（C1q/C3）和细胞因子介导的炎症反应，主动塑造神经元成熟和网络活动；尽管人脑类器官中直接证据有限，这些机制可能为小胶质细胞介导的蛋白质聚集体传播创造微环境。含有小胶质细胞的脑类器官表现出更好的神经元成熟、突触重塑和网络活动，小胶质细胞促炎活化与这些过程改变相关。细胞外囊泡（EVs）是重要的通讯介质，类器官来源的EVs可运输microRNA、非编码RNA、NDD生物标志物和神经营养因子