撰文 | Qi

肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）是一種致命的神經(jīng)退行性疾病，主要影響大腦和脊髓中的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，導(dǎo)致進(jìn)行性肌肉萎縮和癱瘓。90%的ALS病例為散發(fā)性（sALS），病因不明，且缺乏有效的治療手段。傳統(tǒng)研究依賴動(dòng)物模型或靜態(tài)細(xì)胞培養(yǎng)，但難以完全模擬人類疾病的復(fù)雜性，尤其是早期病理變化。近年來，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）和器官芯片技術(shù)【1】的結(jié)合為ALS研究提供了新思路。

2025年6月24日，美國(guó)Cedars-Sinai再生醫(yī)療中心 的Clive N. Svendsen團(tuán)隊(duì)在Cell Stem Cell雜志上發(fā)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(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，與腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞共培養(yǎng)于微流體器官芯片中，模擬脊髓-血腦屏障系統(tǒng)，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和單核RNA測(cè)序，揭示年輕型散發(fā)性ALS（發(fā)病年齡<45歲）的早期病理機(jī)制。

器官芯片包含 雙層通道 ， 上層為運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，下層為內(nèi)皮細(xì)胞，中間多孔膜模擬血腦屏障 ， 培養(yǎng)基以5.88 μL/h流速循環(huán)， 以 模擬體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)和代謝廢物清除。動(dòng)態(tài)流動(dòng)使神經(jīng)組織厚度增加，細(xì)胞增殖相關(guān)基因（如MCM4）上調(diào) ， 而 靜態(tài)培養(yǎng)則顯示缺氧和凋亡信號(hào)激活 ， 表明動(dòng)態(tài)培養(yǎng)可促進(jìn)組織生長(zhǎng)并改善細(xì)胞健康。隨后，他們利用Answer ALS庫(kù)【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(duì)照健康個(gè)體的芯片置于介質(zhì)流28天后進(jìn)行分析， ALS芯片中 MNX1顯著下調(diào)， NEFH顯著升高 ， 突觸蛋白NRGN上調(diào)， 提示 可能影響鈣信號(hào)和突觸可塑性 ， 未發(fā)現(xiàn)經(jīng)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(yùn)動(dòng)神經(jīng)元（motor neurons, MNs）的單細(xì)胞分析結(jié)果來確定 與ALS患者脊髓中觀察到的特異性MN細(xì)胞功能障礙相關(guān)的富集途徑。 結(jié)果顯示 ALS 神經(jīng)元中出現(xiàn)的 特異性改變 包括 谷氨酸受體上調(diào) ， 如 GRIN2A（NMDA受體） 和 GRIK1/2（紅藻氨酸受體） 的 高表達(dá) ， GABA受體下調(diào) ， 可能導(dǎo)致抑制性輸入不足 。 此外， 長(zhǎng)鏈非編碼RNA如MEG3和LINCO1828異常表達(dá)，或參與RNA代謝紊亂。在 另一組 獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)中，谷氨酸受體相關(guān)通路仍為最顯著差異，證實(shí)結(jié)果的可靠性。

將 器官芯片 與 傳統(tǒng)培養(yǎng) 對(duì)比結(jié)果顯示， 芯片中48%的PHOX2B+神經(jīng)元表達(dá)成熟標(biāo)志物ISL1，而96孔板僅6% ， 且 芯片神經(jīng)元與人類胎兒脊髓單細(xì)胞數(shù)據(jù)的相關(guān)性更高，提示更接近體內(nèi)狀態(tài)。 然而，芯片中的 神經(jīng)元仍偏向頸髓/后腦身份，未能完全模擬腰髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元（ALS常見受累區(qū)域） ， 如果進(jìn)行 >32天 的 長(zhǎng)期培養(yǎng) ， 會(huì)出現(xiàn) 細(xì)胞脫落， 因此，在后續(xù)的研究中需要 優(yōu)化膜材料。

綜上，這項(xiàng)工作證明動(dòng)態(tài)流動(dòng)是神經(jīng)元成熟的關(guān)鍵因素，解決了傳統(tǒng)靜態(tài)培養(yǎng)的缺氧問題，利用年輕型sALS模型首次在單細(xì)胞層面揭示谷氨酸能信號(hào)紊亂和神經(jīng)絲異常，為早期診斷標(biāo)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(xiàn)

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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