Cell Stem Cell丨器官芯片技术揭示年轻型散发性ALS的早期病理机制

撰文 | Qi

肌萎缩侧索硬化症（ALS）是一种致命的神经退行性疾病，主要影响大脑和脊髓中的运动神经元，导致进行性肌肉萎缩和瘫痪。90%的ALS病例为散发性（sALS），病因不明，且缺乏有效的治疗手段。传统研究依赖动物模型或静态细胞培养，但难以完全模拟人类疾病的复杂性，尤其是早期病理变化。近年来，诱导多能干细胞（iPSC）和器官芯片技术【1】的结合为ALS研究提供了新思路。

2025年6月24日，美国Cedars-Sinai再生医疗中心 的Clive N. Svendsen团队在Cell Stem Cell杂志上发表了文章An organ-chip model of sporadic ALS using iPSC-derived spinal cord motor neurons and an integrated blood-brain-like barrier，他们将ALS患者的iPSC分化为脊髓运动神经元，与脑微血管内皮细胞共培养于微流体器官芯片中，模拟脊髓-血脑屏障系统，结合转录组、蛋白质组和单核RNA测序，揭示年轻型散发性ALS（发病年龄<45岁）的早期病理机制。

器官芯片包含 双层通道 ， 上层为运动神经元，下层为内皮细胞，中间多孔膜模拟血脑屏障 ， 培养基以5.88 µL/h流速循环， 以 模拟体内营养供应和代谢废物清除。动态流动使神经组织厚度增加，细胞增殖相关基因（如MCM4）上调 ， 而 静态培养则显示缺氧和凋亡信号激活 ， 表明动态培养可促进组织生长并改善细胞健康。随后，他们利用Answer ALS库【2】中不含已知ALS突变的5名年轻男性ALS患者生成sALS芯片，与对照健康个体的芯片置于介质流28天后进行分析， ALS芯片中 MNX1显著下调， NEFH显著升高 ， 突触蛋白NRGN上调， 提示 可能影响钙信号和突触可塑性 ， 未发现经典TDP-43靶基因（如STMN2）的剪接异常，提示模型更反映早期病理而非晚期TDP-43沉积。

随后，利用芯片中运动神经元（motor neurons, MNs）的单细胞分析结果来确定 与ALS患者脊髓中观察到的特异性MN细胞功能障碍相关的富集途径。 结果显示 ALS 神经元中出现的 特异性改变 包括 谷氨酸受体上调 ， 如 GRIN2A（NMDA受体） 和 GRIK1/2（红藻氨酸受体） 的 高表达 ， GABA受体下调 ， 可能导致抑制性输入不足 。 此外， 长链非编码RNA如MEG3和LINCO1828异常表达，或参与RNA代谢紊乱。在 另一组 独立重复实验中，谷氨酸受体相关通路仍为最显著差异，证实结果的可靠性。

将 器官芯片 与 传统培养 对比结果显示， 芯片中48%的PHOX2B+神经元表达成熟标志物ISL1，而96孔板仅6% ， 且 芯片神经元与人类胎儿脊髓单细胞数据的相关性更高，提示更接近体内状态。 然而，芯片中的 神经元仍偏向颈髓/后脑身份，未能完全模拟腰髓运动神经元（ALS常见受累区域） ， 如果进行 >32天 的 长期培养 ， 会出现 细胞脱落， 因此，在后续的研究中需要 优化膜材料。

综上，这项工作证明动态流动是神经元成熟的关键因素，解决了传统静态培养的缺氧问题，利用年轻型sALS模型首次在单细胞层面揭示谷氨酸能信号紊乱和神经丝异常，为早期诊断标志物提供线索，未来可以利用芯片来筛选靶向谷氨酸受体的药物。

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

制版人： 十一

参考文献

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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