“人类迷你大脑”揭示自闭症生物学和潜在治疗方法——MicroRNA

斯克里普斯研究中心的科学家们利用从患有罕见而严重的自闭症谱系障碍和智力残疾的患者身上产生的干细胞，培育出个性化的“迷你大脑”（或类器官），以研究这种疾病的新细节。实验室培养的类器官使研究小组对一种基因突变如何导致自闭症谱系障碍有了新的认识。研究还表明，一种名为NitroSynapsin的实验性药物，在这些模型中逆转了一些与自闭症相关的大脑功能障碍。

　　

利用一种罕见且严重的自闭症谱系障碍和智力残疾患者的干细胞，斯克里普斯研究中心的科学家们培育出了个性化的“迷你大脑”（或类器官），以研究这种疾病的新细节。实验室培养的类器官使研究小组对一种基因突变如何导致自闭症谱系障碍有了新的认识。研究还表明，一种名为NitroSynapsin的实验性药物，在这些模型中逆转了一些与自闭症相关的大脑功能障碍。

“我们的工作表明，这种与自闭症相关的基因突变如何在发育过程中破坏脑细胞的典型平衡，”Stuart A. Lipton博士说，他是斯克里普斯研究所stepfamily Foundation的教授和神经退行性疾病新药中心的联合主任，临床神经学家，也是2024年9月30日在线发表在《Molecular Psychiatry》上的这项新研究的资深作者。“但我们也已经确定，在以后的生活中，可能有办法解决这种不平衡。”

向病人学习

自闭症谱系障碍（ASD）是一种影响社会互动、重复兴趣和行为以及沟通的神经和发育障碍。自闭症的病因目前还不完全清楚；许多基因变异与这种疾病有关，但每种变异只能解释一小部分病例。多年来，对自闭症谱系障碍的研究一直围绕着在鼠身上建立这种疾病的模型或研究分离的人类脑细胞。两者都不能完美地模仿错综复杂的人类大脑。

Lipton和他的同事专注于MEF2C单倍功能不全综合征（MHS），这是一种罕见而严重的ASD和智力残疾，由MEF2C基因的遗传变异引起。他们使用从MHS患者身上分离的皮肤细胞，并使用现代干细胞生物学技术将这些细胞转化为人类干细胞，然后将它们培养成毫米大小的“迷你大脑”类器官，研究人员可以在其中研究各种类型的脑细胞如何相互作用。

Lipton说：“我们可以重现病人大脑的基本方面，以研究他们的电活动和其他特性。实际上，我们把孩子们带进实验室，看看他们自己的迷你大脑，这让孩子们和家人都很激动。”

在健康的人类大脑和脑类器官中，神经干细胞发育成神经细胞（或神经元），在整个大脑中发送和接收信息，以及发育成各种类型的胶质细胞，胶质细胞是最近被证明在信号传导和免疫功能中很重要的支持细胞。健康的大脑含有促进电信号的兴奋性神经元和阻断这种信号的抑制性神经元的平衡。自闭症导致兴奋性/抑制性失衡，常常导致过度兴奋。

Lipton的研究小组发现，在由患有MHS的儿童细胞发育的类器官中，神经干细胞更常发育成神经胶质细胞，与神经元相比，神经胶质细胞的数量不成比例。特别是，MHS类器官的抑制性神经元比平常少。这导致迷你大脑中的电信号过多，就像许多患有自闭症谱系障碍的真正人类大脑一样。

microRNA的作用

当Lipton的研究小组探究MEF2C突变如何导致细胞类型之间的这种不平衡时，他们发现近200个基因直接由MEF2C基因控制。其中三个基因脱颖而出——它们不是编码导致信使RNA和蛋白质表达的DNA，而是编码microRNA分子的基因。

MicroRNAs （miRNAs）是一种小的RNA分子，它本身不产生蛋白质，而是与DNA结合以控制基因表达。本月，两位科学家因描述miRNA分子的发现以及它们如何影响细胞发育和行为而获得2024年诺贝尔生理学或医学奖。

Lipton说：“在我们的研究中，一些特定的miRNAs似乎在告诉发育中的脑细胞是成为神经胶质细胞、兴奋性神经元还是抑制性神经元方面很重要。MEFC2的突变改变了这些miRNAs的表达，这反过来又阻止了发育中的大脑产生正常的神经细胞和神经细胞之间的正常连接或突触。”

Lipton的研究小组发现，MHS患者早期发育中的脑细胞中有三种特定的miRNAs水平较低。当研究人员将这些miRNA分子的额外拷贝添加到患者衍生的脑类器官中时，迷你大脑发育得更正常，神经元和神经胶质细胞达到了标准平衡。

潜在的治疗方法

由于ASD通常不会在胎儿大脑发育期间被诊断出来，旨在改变初始发育的治疗方法——比如纠正突变基因或添加miRNA分子来阻止细胞类型的不平衡——目前还不可行。然而，立顿已经在开发另一种药物，即使在发育后也能帮助促进兴奋性和抑制性神经元之间的平衡。

Lipton的团队最近测试了这样一种药物，这种药物是他和同事发明的，并以NitroSynapsin（又名EM-036）的名字申请了专利，因为它能够恢复由受阿尔茨海默病影响的细胞组成的“迷你大脑”的大脑连接。

在这篇新论文中，他们测试了这种药物是否也能帮助治疗MHS型自闭症。Lipton和他的同事们利用患者衍生的脑类器官发现，在细胞类型之间存在不平衡的完全发育的脑类器官中，NitroSynapsin可以部分纠正这种不平衡，防止神经元的过度兴奋性，并恢复迷你大脑中的兴奋/抑制平衡。这也保护了神经细胞连接或突触。

需要做更多的工作来证明这种药物是否能改善MHS患者的症状，或者影响其他类型的自闭症谱系障碍，这些自闭症谱系障碍不是由MEF2C基因突变引起的。Lipton假设这可能是事实，因为已知MEF2C会影响许多与自闭症相关的其他基因。

Lipton说：“我们正在继续在动物模型中测试这种药物，目的是在不久的将来将其用于人体。这是朝着这个方向迈出的令人兴奋的一步。”

Dysregulation of miRNA expression and excitation in MEF2C autism patient hiPSC-neurons and cerebral organoids