探索神经退行性疾病，你需要这些新工具

技术的进步正在加快研究的步伐，帮助研究人员揭示神经退行性疾病的机制，包括肌萎缩性侧索硬化症、阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病。

　　

大脑是身体中最难以捉摸的器官，没有之一。数据显示，灵长类动物的大脑约有860亿个神经元以及数量相当的非神经元细胞。¹这些神经元与非神经元细胞的相互作用让大脑变得极其复杂，给试图破译其内部运作的研究人员带来了多方面的挑战。

不过，技术的进步正在加快研究的步伐，帮助研究人员揭示神经退行性疾病的机制，包括肌萎缩性侧索硬化症（ALS）、阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）和亨廷顿病。下面展示的一些技术正助力人们揭开神经退行性疾病的分子和细胞机制。

倾听神经元的对话

若要研究神经元是如何交流的，科学家需要一种技术来倾听它们的对话。Axion Biosystems的Maestro平台可通过多孔的微电极阵列（MEA）板，监测一组神经元的电活动。每个孔都包含一组非侵入性电极，可实时测量神经元的电活动。

Axion Biosystems的科学联络员Steven Fiene表示：“这些电极具有检测单个神经元放电的灵敏度，但由于每个孔中有多个电极在同时测量，因此可量化神经网络的活动。”

Maestro平台适用于大多数类型的神经元培养（2D或3D），不仅支持短期实验，而且支持长期研究，因为它集成了环境控制系统。“尽管它很擅长检测急性反应，但真正让它脱颖而出的是在一段时间内研究神经元网络的能力，”Fiene说。“对于多种神经退行性疾病而言，时间是关键因素，我们的客户大多使用Maestro来模拟疾病并筛选潜在的治疗方法。”

例如，在斯克利普斯研究所，Stuart Lipton实验室的人员就使用Maestro平台来监测2D和3D“迷你大脑”模型中的电活动，这些模型中的神经元来源于野生型的iPSC或包含AD相关突变的iPSC。² “它们能够模拟神经疾病中电过度兴奋和过度同步的表型，这一特征会导致阿尔茨海默病中的突触损伤，”Fiene谈道。

Stuart Lipton领导的研究团队表明，NMDA受体拮抗剂NitroSynapsin降低了带有AD突变的迷你大脑中的电活动升高。他们认为，利用这种模型系统可以筛选出一些有望治疗神经过度兴奋和预防损伤的药物，从而治疗阿尔茨海默病。

单细胞的力量

探索单个细胞的工具也正在帮助研究人员发现神经退行性疾病的机制。10x Genomics的Chromium单细胞基因表达工具系列包括Chromium单细胞基因表达分析、Chromium单细胞ATAC分析以及Chromium单细胞多组学ATAC + 基因表达分析。

10x Genomics神经科学市场开发部门的高级经理Kelly Miller表示：“有了多组学分析，科学家能够同时从同一细胞中捕获转录组和表观遗传信息，从而更精确地检测稀有细胞，并节省宝贵的时间和样本。这些工具帮助我们了解大脑中的每种细胞在退行性疾病进展中起了何种具体作用。”

加州大学欧文分校的Vivek Swarup团队就采用10x Genomics的工具，对人类晚期AD的脑组织进行单核ATAC测序和RNA测序。³ 这种组合方法显示了哪些基因正在被转录以及它们的染色质开放性。通过这种方法，Swarup团队确定了细胞类型特异性的基因表达变化，并将与AD相关的顺式调控元件与其靶基因相关联。

在10x Genomics多组学工具的帮助下，研究人员能够在同一流程中对同一样本开展多组学分析，并将RNA和ATAC测序数据关联起来。“事实证明，这种方法能够有效地填补空白，帮助人们了解已知的致病变异如何导致疾病发生，”Miller说。

此外，10x Genomics的Visium平台能够对组织切片进行空间转录组分析，支持神经变性的进一步研究。Visium空间基因表达分析可以揭示细胞间的相互作用，以及与神经退行性疾病相关的大脑区域。新上市的Visium FFPE分析更支持FFPE大脑样本的研究。

2022年，10x Genomics还计划发布更多的多组学工具，支持空间蛋白和全转录组基因表达的多重分析。Miller表示，该公司还会推出Visium HD，“以实现单细胞分辨率的全转录组空间分析，推动人们深入了解神经退行性疾病的潜在机制”。

参与神经变性的其他因素

人们还在继续研究大脑的保护机制，以及这些机制如何与环境相互作用来抵御疾病。例如，尽管神经变性与1型单纯疱疹病毒（HSV-1）感染之间存在关联，但具体机制仍然不清楚，而且并非每个感染者都会患上神经退行性疾病。

之前的研究表明，自噬受体蛋白optineurin会发挥吞噬作用，回收蛋白质和受损细胞器。于是，伊利诺伊大学芝加哥分校的Deepak Shukla团队研究了optineurin是否可能在病毒降解中发挥类似作用。⁴

他们发现，optineurin选择性靶向HSV-1进行降解。研究人员制备了optineurin基因缺陷的小鼠，并用HSV-1感染它们。他们观察到，与对照相比，缺乏optineurin的小鼠在尸检脑组织中表现出更多的病毒和神经元死亡。“光是optineurin缺陷这一点不足以引起神经变性，”Shukla说。“还需要其他东西也出错，比如HSV-1感染。”

Shukla的团队提出，神经变性既需要HSV-1感染，又需要optineurin功能失调（由突变或缺失引起）。换句话说，optineurin通常在大脑中发挥保护作用，在其功能失调后，神经元更容易受到病毒攻击。“在HSV-1感染期间，optineurin有意识地回收病毒蛋白，从而降低病毒载量，并保护细胞免于死亡，”Shukla说。“当它无法正常运作时，受损的蛋白就会积累，并加速感染神经元的死亡。”

研究人员还观察到，缺乏optineurin并感染HSV-1的小鼠在一段时间后表现出明显的神经认知缺陷。以往有关optineurin的研究表明，它在肌萎缩性侧索硬化症、亨廷顿病和阿尔茨海默病中发挥重要作用。如今，确定导致神经变性的多个因素可帮助人们了解其他神经退行性疾病如何进展，并开发出潜在的治疗方案。

参考文献

1. Herculano-Houzel, S. The remarkable, yet not extraordinary, human brain as a scaled-up primate brain and its associated cost. PNAS June 2012. 109 (Supplement 1). 10661-10668
2. Ghatak, S., Dolatabadi, N., Gao, R. et al. NitroSynapsin ameliorates hypersynchronous neural network activity in Alzheimer hiPSC models. Mol Psychiatry (2020).
3. Morabito, S., Miyoshi, E., Michael, N. et al. Single-nucleus chromatin accessibility and transcriptomic characterization of Alzheimer’s disease. Nat Genet 53, 1143–1155 (2021).
4. Ames, J., Yadavalli, T., Suryawanshi, R. et al. OPTN is a host intrinsic restriction factor against neuroinvasive HSV-1 infection. Nat Commun 12, 5401 (2021).