综述：利用人多能干细胞模型重新审视肌萎缩侧索硬化中的少突胶质细胞

《TRENDS IN Cell Biology》：Revisiting oligodendrocytes in amyotrophic lateral sclerosis using human multicellular stem cell models

本综述聚焦肌萎缩侧索硬化（ALS）中少突胶质细胞谱系细胞（包括少突胶质前体细胞（OPCs）和成熟少突胶质细胞）的关键作用。文章系统回顾了来自动物模型和人类尸检组织的证据，指出少突胶质细胞功能障碍（如髓鞘丢失、代谢支持受损及TDP-43蛋白病理）在疾病早期即出现。作者重点探讨了人多能干细胞（hiPSCs）衍生的体外模型（如单层培养、共培养及3D类器官）在模拟ALS病理、研究细胞间相互作用（如少突胶质细胞-神经元-星形胶质细胞交叉对话）以及筛选突变特异性治疗靶点方面的潜力与当前局限。这些模型为理解这种复杂神经退行性疾病的发病机制提供了新的视角。

　　

新兴的少突胶质细胞在ALS中的作用

肌萎缩侧索硬化（ALS）是一种致命的神经退行性疾病，其特征是上下运动神经元的退化，导致肌肉萎缩、瘫痪，并最终在2-5年内因呼吸衰竭而死亡。尽管超过30个基因与ALS相关，但已知的遗传变异仅占所有病例的10-15%，其中大部分被归类为家族性ALS（fALS）。其余90%无家族史的病例被归类为散发性ALS（sALS）。虽然ALS主要被定义为运动神经元疾病，但神经胶质细胞在其发病和进展中的作用日益受到关注。其中，少突胶质细胞谱系细胞——包括少突胶质前体细胞（OPCs）和成熟的髓鞘形成少突胶质细胞——因其在ALS中的潜在贡献而获得越来越多的关注。

少突胶质细胞谱系的动态和功能

少突胶质细胞沿着一个精心编排的谱系发展，从OPCs开始，最终形成成熟的髓鞘形成少突胶质细胞。少突胶质细胞最为人熟知的功能是产生髓鞘，这是一种富含脂质的膜，能绝缘轴突并确保快速的跳跃式传导。但髓鞘并非静态的，从胎儿中期开始并持续到成年期，髓鞘形成具有高度可塑性，受经验和损伤的影响。每个成熟的少突胶质细胞包裹20到60个不同的轴突片段。除了绝缘作用，成熟的少突胶质细胞还调节离子稳态，通过乳酸转运为神经元提供代谢支持，并以铁蛋白重链的形式提供抗氧化防御。

OPCs是少突胶质细胞谱系中的前体细胞，负责产生成熟的少突胶质细胞。然而，近十年的研究揭示了OPCs自身功能的多样性。例如，OPCs接收来自神经元的突触输入，形成动态的真正的突触，并在发育和损伤恢复过程中调节突触的形成和精细化。在发育过程中，OPCs被证明可以引导神经元迁移和吞噬突触，同时还参与血管生成、血脑屏障完整性和免疫监视。在成年中枢神经系统（CNS）中，OPCs构成了增殖最活跃的细胞群体，它们表现出区域异质性和情境特异性行为，表明这些细胞在成年期具有超越产生少突胶质细胞的关键功能。

这些多样化的少突胶质细胞功能并非孤立发生，而是通过与神经系统中的其他胶质细胞——星形胶质细胞和小胶质细胞——进行广泛的交叉对话和协作而实现的。来自星形胶质细胞和小胶质细胞的信号被证明可以调节少突胶质细胞谱系的进展和分化。

疾病中的少突胶质细胞谱系

鉴于其在生理条件下的多种功能，少突胶质细胞谱系细胞越来越多地与中枢神经系统疾病相关联也就不足为奇了。在各种病理背景下——无论是损伤还是神经退行性变——OPCs和少突胶质细胞在其分化和成熟过程中均出现障碍，最终导致脱髓鞘、神经元功能障碍和疾病进展。多发性硬化（MS）是典型的脱髓鞘疾病。在MS中，病变处的少突胶质细胞和OPCs呈现未成熟的活化状态，无法实现髓鞘再生，从而促进疾病进展。这些炎症性少突胶质细胞/OPCs具有免疫调节能力。

少突胶质细胞对缺血性损伤、创伤性损伤和脊髓损伤（SCI）也特别脆弱。在SCI背景下，OPCs增殖旺盛，但分化常常失败，导致持续的脱髓鞘和轴突功能障碍。少突胶质细胞功能障碍被认为是由损伤环境驱动的，因为它们对兴奋性毒性、线粒体功能障碍和活性氧敏感。与MS类似，OPCs和少突胶质细胞向免疫调节状态的转变也被认为是阻碍其分化以替代成熟少突胶质细胞的原因。

少突胶质细胞也参与神经退行性变，在阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、额颞叶痴呆（FTD）和ALS等疾病中表现出共同的病理特征。常见的功能障碍包括髓鞘丢失、疾病相关蛋白聚集物的积累，以及尽管OPCs持续增殖但仍无法实现髓鞘再生。在ALS和FTD中，少突胶质细胞与神经元一样，表现出细胞质蛋白聚集，这可能破坏正常的髓鞘形成并导致轴突变性。在各种病理中，衰老会加剧这些功能障碍。

为了表征中枢神经系统疾病中细胞类型特异性功能障碍，研究人员发现了少突胶质细胞中常见的疾病转录组特征，这些特征出现在不同的病理背景下。这些疾病相关少突胶质细胞（DOLs或DAOs）的特征是表达SERPINA3以及MHC I类和II类基因。在AD动物模型和AD患者大脑中，这些疾病少突胶质细胞定位于淀粉样斑块附近，并与认知衰退的严重程度相关。少突胶质细胞在不同病理中出现的这种保守的疾病反应，为揭示功能障碍的共同机制提供了一个令人信服的机会。

少突胶质细胞功能障碍不可避免地受到与其他胶质细胞群体相互作用的影响。在脱髓鞘和髓鞘再生过程中，星形胶质细胞和小胶质细胞变得反应性增强，经历形态、分子和功能变化。反应性星形胶质细胞主动阻止OPC分化，并招募小胶质细胞介导免疫反应和清除碎片。此外，炎症条件下星形胶质细胞-少突胶质细胞代谢耦合的中断会损害离子和代谢物的交换，这对少突胶质细胞功能、髓鞘维持和轴突营养支持至关重要。小胶质细胞在髓鞘病理中扮演复杂角色：它们的吞噬功能对于清除髓鞘碎片至关重要，否则会抑制少突胶质细胞分化和髓鞘再生；然而，小胶质细胞的活化足以诱导脱髓鞘。

ALS中的少突胶质细胞谱系细胞病理学

啮齿动物模型

在小鼠模型中突变SOD1的选择性表达或删除提供了最早的证据，表明非细胞自主性致病机制导致了运动神经元病理。选择性从少突胶质细胞中移除突变SOD1G93A延迟了疾病发作并延长了生存期，同时减少了星形胶质细胞和小胶质细胞的活化。与此观察一致的是，在症状出现前的SOD1G93A大鼠模型脊髓中观察到了髓鞘改变，并且在具有相同突变的小鼠模型中，在行为症状出现之前或期间报告了灰质少突胶质细胞的变性和OPC增殖的增加。在早期症状和终末期SOD1G93A小鼠模型以及ALS患者中也报告了少突胶质细胞富集的MCT1转运蛋白的减少，突出了乳酸转运失调作为少突胶质细胞可能导致早期神经元功能障碍和神经退行性变的机制。

随后携带FUS和TDP-43突变的啮齿动物模型进一步强调了少突胶质细胞谱系细胞在ALS中的脆弱性及其对疾病发作的潜在贡献。携带Fus基因核定位序列（NLS）突变的杂合动物部分与SOD1G93A突变小鼠的发现相似，表明突变FUS在运动神经元中的表达对于细胞死亡是必要的，但非细胞自主性毒性是运动症状和轴突损伤的重要贡献者。这些小鼠在少突胶质细胞中表现出部分FUS胞质错误定位，同时还显示脊髓白质中髓鞘相关基因的下调和成熟少突胶质细胞数量的增加。

少突胶质细胞特异性删除或过表达TDP-43也强调了功能丧失和毒性获得机制可能在疾病进展中起作用。TDP-43病理也与ALS中少突胶质细胞内脂质调节受损有关。TDP-43直接结合Srebf2 mRNA（胆固醇生物合成的主要调节因子）以及其他脂质代谢转录本。少突胶质细胞中TDP-43的缺失减少了胆固醇合成，导致脱髓鞘，而胆固醇补充可以挽救这种脱髓鞘。重要的是，在少突胶质细胞中过表达TDP-43M337V也导致胆固醇生物合成通路中基因的显著下调。

人类尸检组织

与动物模型研究并行的是，对尸检组织的组织学分析可以直接研究患者的少突胶质细胞功能障碍。在散发性和家族性ALS病例中，已报告运动皮层和脊髓（包括白质和灰质）的脱髓鞘。其他报告的少突胶质细胞功能障碍包括脊髓中少突胶质细胞相关基因（如MOBP）的RNA表达减少，MBP RNA运输缺陷，以及白质中胆固醇酯的增加，表明髓鞘脂质稳态被破坏，这与之前在啮齿动物模型中强调的结果一致。与这些结果一致的是，运动皮层白质的脂质组学分析揭示了散发性和家族性ALS中脂质组成的显著改变，较高的胆固醇水平与较短的疾病持续时间相关。

异常的蛋白质聚集，包括SOD1、FUS、TDP-43和p62这些ALS中神经元变性的标志，也经常且有时主要地在组织中的少突胶质细胞中观察到。例如，在sALS和SOD1 fALS患者的脊髓中，在GFAP阳性的星形胶质细胞和OLIG2阳性的少突胶质细胞核中检测到错误折叠的SOD1聚集物。同样，在散发性和家族性ALS中，白质和灰质少突胶质细胞或少突胶质细胞包裹的轴突周围也报告了细胞质磷酸化TDP-43包涵体。灰质和白质少突胶质细胞中pTDP-43病理的严重程度与神经元丢失密切相关，并与疾病发作相关。

最近利用单细胞水平转录分析对ALS/FTD患者大脑进行细胞类型特异性失调谱分析的努力，使得能够更仔细地观察少突胶质细胞的变化。例如，对C9orf72 ALS/FTD患者运动和前额叶皮层的单核RNA测序确实指出了少突胶质细胞在RNA水平上的功能障碍。OPCs和少突胶质细胞中的差异表达基因显示与细胞代谢、线粒体功能、髓鞘形成以及少突胶质细胞分化和规格化相关的基因表达减少，其中一项研究显示在高pTDP-43负荷的患者中未成熟少突胶质细胞数量增加。总体而言，组织学和转录组学的人类数据提供了丰富的证据，表明少突胶质细胞和OPCs——与神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞一起——在家族性和散发性疾病形式中均受到影响。

使用人源性少突胶质细胞谱系细胞模拟ALS

对人源性模型的需求

动物模型在扩展我们对ALS潜在病理机制的理解方面发挥了重要作用。然而，从这些模型到人类的转化研究仍然充满挑战。动物模型模拟了疾病的有限方面，主要依赖于已识别突变的过表达，因此只代表了一小部分患者群体，而更常见的散发性病例在很大程度上没有得到解决。

在细胞和分子水平上存在人类特异性特征可能在临床转化失败中起作用。特别是在少突胶质细胞谱系中，人和小鼠的少突胶质细胞在基因表达上存在显著差异，转录组谱分析识别出244个在人类而非小鼠OPCs中表达的基因。一些研究也强调了少突胶质细胞发育时间和功能的差异，人类OPCs表现出比啮齿动物OPCs更持久的增殖，人类大脑需要更广泛和更长时间的髓鞘形成。虽然皮层下白质在小鼠中占皮层体积的不到10%，但在人类和灵长类动物中则超过50%。此外，跨人类、黑猩猩和恒河猴的比较转录组分析表明，在人类中，少突胶质细胞表现出比神经元更显著的进化变化。

使用人类尸检组织可以使我们规避因人类特异性生理学可能导致的差异，并提供直接反映人类病理学的见解。然而，这种方法也受到限制，因为获取高质量人类组织存在固有困难，特别是在较少见的突变中。此外，该方法仅捕获疾病晚期的一个时间点，阻碍了在细胞水平上纵向研究疾病进展的能力。这些限制凸显了需要引入人源性体外系统，以更准确地再现人类少突胶质细胞的独特分子和发育特征，并补充现有模型的发现。

人源性少突胶质细胞的体外生成

在过去二十年中，将人类成纤维细胞重编程为诱导多能干细胞（hiPSCs）彻底改变了体外疾病建模。这项技术允许以谱系和区域特异性方式生成来自所有三个胚层的细胞，增加了获取携带个体遗传信息的人源性细胞的机会。hiPSC衍生的模型范围从单层培养或共培养到更复杂的3D细胞系统（称为类器官或球体），所有这些都作为不断发展的平台，用于研究少突胶质细胞的生理功能、发育和疾病中的功能障碍。

已经开发了多种方案从hiPSCs或直接从成纤维细胞生成少突胶质细胞谱系细胞。大多数方案要么依赖于将细胞推向OPC然后至少突胶质细胞命运的模式化方案，要么依赖于过表达谱系决定转录因子。保真度、时间和细胞类型特异性最终决定了适合当前问题的方案。模式化方案通常需要长达100天，涉及在培养基中添加模拟体内发育信号的分子。相比之下，使用转录因子SOX10、OLIG2和NKX6.2进行直接分化，足以在短短4到28天内从成纤维细胞或hiPSCs生成OPCs，效率因使用的细胞系而异，并且显然成熟度有限。

hiPSC衍生的少突胶质细胞在转录上类似于人类原代细胞，并已被用于模拟影响髓鞘的疾病。在Pelizaeus-Merzbacher病（PMD，一种髓鞘形成不良的白质营养不良症）中，患者来源的少突胶质细胞显示PLP1蛋白在内质网中的错误定位，以及细胞死亡增加和髓鞘形成能力降低。来自原发性进行性MS患者的少突胶质细胞在胶质细胞富集培养物中显示免疫和炎症基因表达增加，以及成熟和髓鞘形成少突胶质细胞数量减少，与MS尸检大脑的发现一致。同一培养物中的星形胶质细胞在缺乏炎症刺激的情况下也表现出免疫和炎症特征。然而，这两个胶质细胞群体是独立地准备转变为炎症状态，还是一个群体作为主要触发因素，尚未得到探索。在后者的一个例子中，来自亚历山大病（一种由星形胶质细胞丝蛋白基因GFAP突变引起的白质营养不良症）患者的星形胶质细胞抑制了hiPSC衍生的OPCs的增殖及其髓鞘形成潜力。事实上，转录组分析确定星形胶质细胞分泌的糖蛋白CHI3L1是这种OPC功能障碍的关键介质，该分子已被证明在包括ALS在内的几种神经退行性和炎症性疾病中上调。

这个例子强调了少突胶质细胞生成和髓鞘形成的复杂性，依赖于环境信号和细胞间通讯，这些尚未被完全理解。因此，体外长期维持少突胶质细胞和稳健的髓鞘形成仍然是该领域的关键挑战。为了克服这一点，OPCs可以与神经元共培养，或移植到啮齿动物体内，在那里它们完全整合并进一步分化以髓鞘化宿主的轴突。其他模型也旨在通过使用涉及模拟轴突结构的纳米纤维支架（有时涂有神经元信号分子）的髓鞘形成测定，或引导轴突-OPC相互作用的微流体室来解决这一挑战，从而实现轴突束周围的致密髓鞘形成。

除了单层培养，几个研究小组还报告了在类器官中成功生成髓鞘形成少突胶质细胞，类器官是源自hiPSCs的3D多细胞体外模型，可以在培养中长期维持并再现区域特异性细胞环境。含有少突胶质细胞的类器官为模拟髓鞘形成和脱髓鞘以及区域特异性谱系发育提供了一个有用的平台。在早期的尝试中，少突胶质皮层球体在促髓鞘形成药物治疗下显示髓鞘形成，并且可以再现PMD病理的各个方面，包括髓鞘形成少突胶质细胞数量减少和髓鞘蛋白运输受损。人类少突胶质细胞球体同时被开发，其少突胶质细胞成熟、迁移并在溶血卵磷脂处理后退化。髓鞘类器官则提供了一个额外的稳健平台，表现出广泛的致密髓鞘以及对促髓鞘形成和髓鞘形成不良药物有反应的轴突包裹。最后，在腹侧和背侧前脑类器官中生成的少突胶质细胞展示了模拟异质性和区域特异性少突胶质细胞群体的可能性，具有不同的成熟和髓鞘形成特征。

利用人源性少突胶质细胞体外模拟ALS

hiPSC技术提供了一个工具箱，用于在单层培养、共培养和多细胞环境中，在持续接近和与神经元及星形胶质细胞相互作用的情况下，转录和功能表征人源性少突胶质细胞。不仅如此，这些模型首次使我们能够研究尚未识别遗传变异的散发性疾病形式。

尽管有这种潜力，但在过去十年中，只有少数研究利用这些模型调查了ALS相关突变对少突胶质细胞谱系细胞的影响。在最早的例子之一中，通过已建立的模式化方案从散发性和家族性ALS形式（SOD1^D90A、TARDBP^G298S、FIG4^C27T和C9orf72）生成了OPCs和成熟少突胶质细胞。这些人源性细胞通过条件培养基和直接共培养诱导小鼠运动神经元死亡，除C9orf72外，所有ALS细胞系中乳酸缺陷与其毒性相关，这与小鼠模型和患者中观察到的MCT1缺陷相似。在OPCs中敲低SOD1，但在成熟少突胶质细胞中不敲低，挽救了所有患者细胞系（除C9orf72外）的运动神经元存活和乳酸释放，暗示了一种发生在少突胶质细胞谱系早期的突变特异性致病机制，该机制尚待进一步研究。在另一个例子中，通过诱导TET-On SOX10盒，从携带FUS P525L突变的hiPSCs衍生出OPCs。将这些FUS OPCs与神经学和等基因对照进行比较，揭示了RNA foci的存在、代谢紊乱、对内质网（ER）应激的易感性增加以及线粒体功能障碍，这些特征与线粒体相关内质网膜（MAM）破坏一致。

与这些发现相反，其他研究报告了ALS hiPSC系中少突胶质细胞功能基本保留。使用基于模式化的分化方案从C9orf72 ALS患者和健康对照生成的腹侧脊髓样OPCs在少突胶质细胞中识别出核RNA foci，但未观察到其增殖、成熟、活力或膜特性的明显缺陷。这些细胞也缺乏在C9orf72人类组织和小鼠模型中观察到的病理性TDP-43或p62聚集物。类似地，从携带G298S和M337V突变的TARDBP细胞系和等基因对照分化的OPCs和成熟少突胶质细胞，尽管在携带两种突变的少突胶质细胞中存在TDP-43细胞质包涵体，但在增殖、代谢或髓鞘形成方面未显示损伤。该研究还检查了少突胶质细胞中的AMPA受体功能，发现在携带G298S但不携带M337V突变的细胞中存在基因型特异性失调。然而，这种失调在髓鞘形成脊髓类器官模型中并未转化为髓鞘包裹缺陷。

挑战、机遇和悬而未决的问题

迄今为止的研究虽然稀少，但突出了基于hiPSC的系统在模拟和剖析少突胶质细胞谱系细胞中突变特异性功能障碍方面的潜力。然而，这些研究之间缺乏一致性以及它们无法完全再现小鼠模型和人类中观察到的病理，也强调了未来仍面临的挑战。分化方案之间的差异可能是造成研究间观察到的差异的原因。大多数2D和3D的少突胶质细胞方案除了生成OPCs和/或少突胶质细胞外，还生成一系列其他细胞类型。生成的每种细胞类型的