撰文 | Qi

肌萎縮側索硬化癥（ALS）是一種致命的神經退行性疾病，主要影響大腦和脊髓中的運動神經元，導致進行性肌肉萎縮和癱瘓。90%的ALS病例為散發性（sALS），病因不明，且缺乏有效的治療手段。傳統研究依賴動物模型或靜態細胞培養，但難以完全模擬人類疾病的復雜性，尤其是早期病理變化。近年來，誘導多能干細胞（iPSC）和器官芯片技術【1】的結合為ALS研究提供了新思路。

2025年6月24日，美國Cedars-Sinai再生醫療中心 的Clive N. Svendsen團隊在Cell Stem Cell雜志上發表了文章An organ-chip model of sporadic ALS using iPSC-derived spinal cord motor neurons and an integrated blood-brain-like barrier，他們將ALS患者的iPSC分化為脊髓運動神經元，與腦微血管內皮細胞共培養于微流體器官芯片中，模擬脊髓-血腦屏障系統，結合轉錄組、蛋白質組和單核RNA測序，揭示年輕型散發性ALS（發病年齡<45歲）的早期病理機制。

器官芯片包含 雙層通道 ， 上層為運動神經元，下層為內皮細胞，中間多孔膜模擬血腦屏障 ， 培養基以5.88 μL/h流速循環， 以 模擬體內營養供應和代謝廢物清除。動態流動使神經組織厚度增加，細胞增殖相關基因（如MCM4）上調 ， 而 靜態培養則顯示缺氧和凋亡信號激活 ， 表明動態培養可促進組織生長并改善細胞健康。隨后，他們利用Answer ALS庫【2】中不含已知ALS突變的5名年輕男性ALS患者生成sALS芯片，與對照健康個體的芯片置于介質流28天后進行分析， ALS芯片中 MNX1顯著下調， NEFH顯著升高 ， 突觸蛋白NRGN上調， 提示 可能影響鈣信號和突觸可塑性 ， 未發現經典TDP-43靶基因（如STMN2）的剪接異常，提示模型更反映早期病理而非晚期TDP-43沉積。

隨后，利用芯片中運動神經元（motor neurons, MNs）的單細胞分析結果來確定 與ALS患者脊髓中觀察到的特異性MN細胞功能障礙相關的富集途徑。 結果顯示 ALS 神經元中出現的 特異性改變 包括 谷氨酸受體上調 ， 如 GRIN2A（NMDA受體） 和 GRIK1/2（紅藻氨酸受體） 的 高表達 ， GABA受體下調 ， 可能導致抑制性輸入不足 。 此外， 長鏈非編碼RNA如MEG3和LINCO1828異常表達，或參與RNA代謝紊亂。在 另一組 獨立重復實驗中，谷氨酸受體相關通路仍為最顯著差異，證實結果的可靠性。

將 器官芯片 與 傳統培養 對比結果顯示， 芯片中48%的PHOX2B+神經元表達成熟標志物ISL1，而96孔板僅6% ， 且 芯片神經元與人類胎兒脊髓單細胞數據的相關性更高，提示更接近體內狀態。 然而，芯片中的 神經元仍偏向頸髓/后腦身份，未能完全模擬腰髓運動神經元（ALS常見受累區域） ， 如果進行 >32天 的 長期培養 ， 會出現 細胞脫落， 因此，在后續的研究中需要 優化膜材料。

綜上，這項工作證明動態流動是神經元成熟的關鍵因素，解決了傳統靜態培養的缺氧問題，利用年輕型sALS模型首次在單細胞層面揭示谷氨酸能信號紊亂和神經絲異常，為早期診斷標志物提供線索，未來可以利用芯片來篩選靶向谷氨酸受體的藥物。

https://doi.org/10.1016/j.stem.2025.05.015

制版人： 十一

參考文獻

1. Sharma, A., Sances, S., Workman, M.J., and Svendsen, C.N. (2020). Multi-lineage Human iPSC-Derived Platforms for Disease Modeling and Drug Discovery.Cell Stem Cell26, 309–329. https://doi.org/10.1016/j. stem.2020.02.011.

2. Baxi, E.G., Thompson, T., Li, J., Kaye, J.A., Lim, R.G., Wu, J., Ramamoorthy, D., Lima, L., Vaibhav, V., Matlock, A., et al. (2022). Answer ALS, a large-scale resource for sporadic and familial ALS combining clinical and multi-omics data from induced pluripotent cell lines.Nat. Neurosci.25, 226–237. https://doi.org/10.1038/s41593-021- 01006-0.

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