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2024年10月22日，韓國首爾國立大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)科學(xué)系的研究人員在Nature methods雜志在線發(fā)表題為"Differentiating visceral sensory ganglion organoids from induced pluripotent stem cells"的研究論文。
這項(xiàng)研究成功建立了一種從人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSCs)分化出內(nèi)臟感覺神經(jīng)節(jié)類器官(VSGOs)的新方案。這些VSGOs不僅表現(xiàn)出典型的內(nèi)臟感覺神經(jīng)系統(tǒng)(VSNs)標(biāo)志物，而且通過單細(xì)胞RNA測序(scRNA-seq)技術(shù)，揭示了它們與天然VSNs在異質(zhì)性分子特征和發(fā)育軌跡上的一致性。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將VSGOs與人類結(jié)腸類器官(HCOs)集成在一個(gè)微流控芯片上，構(gòu)建了一個(gè)模擬腸道-神經(jīng)-大腦軸的體外模型，特別應(yīng)用于阿爾茨海默病(AD)的研究。
研究發(fā)現(xiàn)，VSNs可能通過APOE4和LRP1依賴的方式，促進(jìn)腸道源性的淀粉樣蛋白(Aβ)和tau蛋白傳播至大腦，為理解AD等疾病的發(fā)病機(jī)制提供了新的視角。此外，這項(xiàng)研究還擴(kuò)展到了使用來自AD患者的iPSCs，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與臨床數(shù)據(jù)展現(xiàn)出了強(qiáng)烈的相關(guān)性，進(jìn)一步證實(shí)了該研究在轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)和疾病模型研究中的重要價(jià)值。
01 背景
在研究神經(jīng)系統(tǒng)疾病時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)內(nèi)臟感覺神經(jīng)系統(tǒng)(VSNs)起著關(guān)鍵作用。這些神經(jīng)源自胚胎期的上鰓板(EpP)，能夠感知腸道信號，并通過迷走神經(jīng)傳遞給大腦，對腸道-神經(jīng)-大腦軸的功能至關(guān)重要。
近年來，隨著對腸道微生物組與神經(jīng)系統(tǒng)疾病關(guān)系認(rèn)識的深入，人們越來越關(guān)注這一軸在諸如阿爾茨海默病(AD)等神經(jīng)退行性疾病中的作用。盡管已有研究通過操縱腸道微生物組來減輕神經(jīng)疾病小鼠模型的病理變化，但這些研究大多依賴于體內(nèi)模型，限制了對腸道-迷走神經(jīng)-大腦軸的深入研究。
為了在體外模擬這一軸并研究其在神經(jīng)退行性疾病中的作用，研究者們嘗試?yán)谜T導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSCs)分化為內(nèi)臟感覺神經(jīng)節(jié)類器官(VSGOs)。VSGOs能夠表達(dá)多種與VSNs相同的分子標(biāo)記，并且通過單細(xì)胞RNA測序(scRNA-seq)揭示了VSGOs與原生VSNs相似的異質(zhì)性分子特征和發(fā)育軌跡。
然而，盡管在VSGOs的誘導(dǎo)分化方面取得了一定的進(jìn)展，但目前的研究仍存在一些空白和挑戰(zhàn)。例如，如何更精確地模擬體內(nèi)環(huán)境以促進(jìn)VSGOs的成熟和功能，以及如何將這些類器官與腸道類器官(HCOs)有效整合，構(gòu)建一個(gè)能夠模擬腸道-神經(jīng)-大腦軸的體外模型，即所謂的“器官芯片”(Organs-on-a-Chip)模型，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
從iPS細(xì)胞中分化出OEPD和EpP
02 研究步驟
在這樣的背景下，研究者們開始了研究。
在探索內(nèi)臟感覺神經(jīng)系統(tǒng)(VSNs)在神經(jīng)退行性疾病中的作用時(shí)，一個(gè)核心的科學(xué)問題浮現(xiàn)出來：“VSNs是否能夠作為腸道源性病理蛋白傳播到大腦的媒介？”
基于當(dāng)前對腸道-神經(jīng)-大腦軸的認(rèn)識，研究者們提出了一個(gè)假說：VSNs可能在傳播腸道源性的淀粉樣蛋白Aβ和tau蛋白至大腦的過程中起到關(guān)鍵作用。為了驗(yàn)證這一假說，研究者們采取了一種創(chuàng)新的研究思路，即通過誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSCs)分化生成VSGOs，并將其與結(jié)腸類器官(HCOs)整合在一個(gè)微流控芯片上，構(gòu)建了一個(gè)體外模型來模擬腸道-神經(jīng)軸。
利用這一模型，研究者們觀察到VSGOs能夠表達(dá)多種VSNs特異性分子標(biāo)記，并通過單細(xì)胞RNA測序分析揭示了與原生VSNs相似的異質(zhì)性分子特征和發(fā)育軌跡。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，通過在HCOs中加入熒光標(biāo)記的Aβ和tau蛋白，并觀察這些蛋白在VSGOs中的傳播情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些病理蛋白能夠通過VSNs傳播，且這一過程受到APOE基因型的影響。特別是，APOE4等位基因的存在顯著增強(qiáng)了VSNs對Aβ和tau蛋白的攝取能力。此外，通過使用來自阿爾茨海默病患者的iPSCs進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究者們發(fā)現(xiàn)這些VSGOs中Aβ和tau的傳播與患者的臨床數(shù)據(jù)存在顯著相關(guān)性，這進(jìn)一步證實(shí)了VSGOs在模擬疾病病理過程中的可靠性。
與EpP區(qū)分的VSSYS中典型VSN標(biāo)記物表達(dá)
在這項(xiàng)研究中，類器官的培養(yǎng)步驟被精心設(shè)計(jì)，以確保從誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSCs)能夠有效地分化為內(nèi)臟感覺神經(jīng)節(jié)類器官(VSGOs)以及結(jié)腸類器官(HCOs)。
培養(yǎng)VSGOs的步驟如下：
· 誘導(dǎo)上鰓板(EpP)形成：首先，通過特定培養(yǎng)基誘導(dǎo)iPSCs形成耳-上鰓板前體域(OEPD)。這一步驟涉及到使用特定的生長因子和抑制劑，如FGF和BMP，以促進(jìn)OEPD的形成。
· 分化為VSGOs：隨后，OEPD被進(jìn)一步誘導(dǎo)分化為EpP，進(jìn)而分化為VSGOs。在此過程中，通過調(diào)整FGF、Wnt和BMP信號通路，以及添加β-NGF、BDNF和GDNF等神經(jīng)營養(yǎng)因子，促進(jìn)VSN的生成。
· VSGOs的成熟：VSGOs在特制的培養(yǎng)基中成熟，該培養(yǎng)基支持神經(jīng)元的存活和功能表達(dá)，直至達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的成熟度。
培養(yǎng)HCOs的步驟如下：
· iPSCs的分化：iPSCs被分化為腸道上皮細(xì)胞，通過一系列生長因子和信號通路的調(diào)控，模擬腸道發(fā)育過程。
· HCOs的形成：分化后的腸道上皮細(xì)胞通過自組織形成HCOs，這些類器官能夠在體外模擬腸道的功能和結(jié)構(gòu)。
培養(yǎng)這些類器官的應(yīng)用目的是為了建立一個(gè)體外模型，用以研究腸道-神經(jīng)-大腦軸在神經(jīng)退行性疾病中的角色。
通過將VSGOs和HCOs整合在微流控芯片上，研究者們構(gòu)建了一個(gè)三維的“軸-芯片”系統(tǒng)，以模擬腸道到大腦的信號傳遞。這一系統(tǒng)不僅能夠模擬VSNs與腸道的相互作用，還能研究這些相互作用如何影響大腦，特別是在疾病狀態(tài)下。例如，通過在HCOs中加入標(biāo)記的Aβ和tau蛋白，研究者們能夠觀察這些病理蛋白是如何通過VSNs傳播至大腦的，進(jìn)而探索它們在阿爾茨海默病(AD)等疾病中的作用。此外，該模型還允許研究者評估不同遺傳背景(如APOE基因型)對病理傳播的影響，以及探索潛在的治療策略。通過這種方式，研究提供了一個(gè)強(qiáng)大的平臺，以深入理解并模擬復(fù)雜的生物學(xué)過程，并為未來的藥物開發(fā)和疾病研究開辟新的道路。
使用微流控芯片建立連接VSGO和HCO的3D片上軸
這項(xiàng)研究通過創(chuàng)造性地應(yīng)用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSCs)分化技術(shù)，構(gòu)建了內(nèi)臟感覺神經(jīng)節(jié)類器官(VSGOs)，并將這些類器官與結(jié)腸類器官(HCOs)結(jié)合在微流控芯片上，成功模擬了腸道-神經(jīng)-大腦軸的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這一體外模型為探索腸道與大腦間的互動及其在神經(jīng)退行性疾病中的影響提供了強(qiáng)有力的工具。
該研究不僅展現(xiàn)了VSGOs在將腸道源性的病理蛋白傳遞到大腦中的潛在功能，還強(qiáng)調(diào)了APOE基因型在病理傳播過程中的作用，為揭示阿爾茨海默病(AD)等疾病的發(fā)病機(jī)制提供了新的視角。此外，該研究為未來藥物的開發(fā)和治療策略的探索提供了重要的實(shí)驗(yàn)平臺。盡管研究存在局限，但其成果無疑加深了我們對復(fù)雜生物學(xué)過程的認(rèn)識，并為相關(guān)疾病的研究開辟了新途徑。