三维类器官模型展示图雷特综合征的大脑机制

　　

               

图雷特综合症(TS)是一种常见的疾病，其特征是儿童时期表现为不可控的运动或声音抽搐，并可能影响学校表现、人际关系和生活质量。耶鲁大学的一个研究小组利用患者的干细胞构建3D模型，在培养皿中反映他们大脑发育的部分，揭示了这种情况发生的背后机制。

之前的研究已经确定了TS患者的基底神经节(大脑皮层下控制语言和熟练动作的区域)与普通人群的差异。在这些患者中，基底神经节的大小更小，包含的特定类型的专门神经元更少，这些神经元调节基底神经节如何接收和详细处理来自皮层的信息。这些是中间神经元，仅在中枢神经系统中发现的神经元，对抑制的控制至关重要。

为了理解为什么这些神经元不存在，研究小组使用干细胞创造了类似基底神经节的类器官，这是一种3D细胞配置，模拟了TS患者在胚胎发育期间大脑的这一部分是如何生长的。这些模型揭示了这种疾病背后潜在的病理生理学，研究小组希望最终能找到新的治疗方法。研究结果发表在11月29日的《Molecular Psychiatry》杂志上。

“如果我们想预防像图雷特综合症这样的疾病，我们需要研究疾病首次出现的最开始，”耶鲁儿童研究中心哈里斯教授、该研究的资深作者、医学博士Flora Vaccarino说。“类器官是一种回溯过去、研究疾病发展机制的方法。”

图雷特综合症与基底神经节的差异有关

TS通常首先出现在5至10岁的学龄儿童中，经常与注意缺陷多动障碍(ADHD)和强迫症(OCD)同时发生。患有TS的儿童会经历抽搐，这是一种不自觉的动作，如眨眼、清喉咙和发声。虽然有时他们可以暂时抑制抽搐，但这需要很大的努力。在严重的情况下，抽搐可能会导致自残行为。这种疾病通常在成年后得到改善——在超过一半的病例中，抽搐变得不那么明显和不那么严重。虽然这种疾病具有高度的遗传性，但研究人员发现与这种疾病有关的基因很少。

Vaccarino说:“基底神经节调节我们无意识的运动程序，比如说话。我们的许多动作——走路、骑自行车——都是我们小时候学的时候就根深蒂固的，现在我们只是不加思考地去做。这些程序储存在基底神经节中。”

但是，如果基底神经节发育出现问题，就会出现抽搐等异常运动。“你正在做某事，突然觉得有必要清一下嗓子或说句话。它与你正在做的运动无关，但它会不由自主地出现，”她说。

成像研究表明，患有TS的儿童和年轻人的基底神经节略小。出于好奇，Vaccarino的小组之前对捐赠大脑用于研究的已故TS患者的基底神经节尸检样本进行了研究。这项研究揭示了抑制性中间神经元的缺失，而抑制性中间神经元在调节基底神经节对皮层信号的反应中起着至关重要的作用。

“当这些抑制性中间神经元缺乏时，”Vaccarino说，“我们认为，由于皮层刺激没有被抑制，你会有异常的运动。”

然而，为什么这些神经元在TS患者中缺失仍然是一个谜。研究人员不知道它们是在晚年死亡，还是完全无法发育。当时Vaccarino实验室的研究生Melanie Brady博士决定进行调查。

抽动症类器官显示神经异常

在他们的最新研究中，研究小组招募了5名TS患者，以及11名对照组。他们从每位患者身上提取了一小部分皮肤细胞样本，以创造诱导多能干细胞系。多能干细胞可以被编程成各种各样的细胞，包括基底神经节的神经元。这包括将多能细胞系培养成称为类器官的3D细胞组合，在模拟胚胎发育的过程中，它们逐渐分化为神经元。

Brady说:“类器官为我们提供了一次检查多种细胞类型的独特能力，并帮助我们以患者特定的方式更好地理解人类大脑的复杂多样性。”然后可以比较来自对照和TS个体的类器官的基底神经节神经元的发育。

首先，研究小组想要研究TS类器官中抑制性中间神经元与对照的存在。他们使用免疫细胞化学分析来寻找这些神经元的特定标记，以可视化蛋白质，并对RNA进行测序，以检测抑制性中间神经元特异性转录本。两种方法均证实TS类器官中抑制性中间神经元减少。

“这表明这些神经元并没有丢失;它们一开始就没有产生，”Vaccarino说。“从类器官发育之初开始，我们就发现这些细胞根本不存在。”

此外，本应成为抑制性中间神经元的祖细胞正在产生不同种类的细胞，导致TS类器官中神经元的异常模式。

研究小组还寻找了基底神经节中间神经元缺陷和错误模式背后的潜在原因。他们发现TS神经干细胞对一种名为Sonic Hedgehog的形态原的反应减弱，这种形态原对正常大脑基底神经节的发育至关重要，在培养的早期阶段就被添加到基底神经节类器官中。研究人员认为，这种异常反应与TS类器官所显示的异常有关。

异常和抽动的严重程度似乎是相关的

最后，该研究表明基底节区类器官异常程度与抽动严重程度之间存在关系。五名TS患者中的一名患者与他的队列相比表现出更轻微的症状。由他的干细胞创造的类器官显示出最小的中间神经元缺陷和不太明显的错误模式，这表明类器官表型可能预测儿童疾病的严重程度。

Brady说:“在发育水平上识别TS神经生物学的潜在差异可能有一天会导致早期诊断和管理该疾病的新方法。”

现在，研究小组已经确定了基底神经节的差异和潜在的机制，他们计划研究TS患者的遗传和表观遗传背景，并了解这些背景是如何导致这种异常反应的。Vaccarino希望她的团队正在进行的工作可以导致潜在的治疗干预。例如，未来的药物可能能够补偿TS患者基底神经节中较少的中间神经元，使它们更容易兴奋。

Vaccarino说:“一旦你发现了某些事情发生的原因，你就可以想办法让它变得更好。”