人多能干细胞来源的类器官模拟交感神经节发育及其与心脏的功能互作研究

《Cell Stem Cell》：Human PSC-derived organoids model sympathetic ganglion development and its functional crosstalk with the heart

本研究针对交感神经节体外建模难题，开发了从人多能干细胞（hPSC）定向分化为三维交感神经节类器官（hSGO）的新策略，成功构建了包含交感神经元与胶质细胞的自组织结构，并进一步与心脏类器官（hHFO）融合形成交感-心脏互作模型（hSHO）。该模型首次在体外重现了人类交感神经对心脏的功能性支配过程，揭示了神经生长因子（NGF）信号通路在交感神经靶向支配中的关键作用，以及交感与心脏组织在共发育中的相互调控机制，为研究人类交感神经系统发育、靶器官互作及相关疾病提供了创新平台。

　　

交感神经系统作为外周神经系统的关键组成部分，调控着心跳、血压等生命核心功能，但其发育机制和与靶器官的互作研究长期受限于缺乏生理相关性强的体外模型。传统二维培养难以模拟细胞间的三维空间结构和自组织过程，而动物模型存在物种差异，无法完全重现人类特异性发育特征。尤其交感神经节功能障碍与心力衰竭、糖尿病神经病变等多种疾病密切相关，开发能够模拟人类交感神经节发育及其与心脏功能性连接的模型，成为神经发育和疾病研究领域的迫切需求。

针对这一挑战，上海科技大学向阳团队在《Cell Stem Cell》发表研究，通过优化人多能干细胞（hPSC）的三维分化策略，成功构建了人交感神经节类器官（hSGO），并进一步将其与心脏类器官（hHFO）融合，建立了交感神经支配心脏的类器官模型（hSHO），首次在体外实现了人类交感神经与心脏的结构与功能连接。

研究团队通过时序激活WNT、FGF2、BMP4、视黄酸（RA）及Sonic Hedgehog（SHH）信号通路，诱导hPSC分化为神经嵴细胞（NCC），并抑制NOTCH信号促进神经成熟。关键实验技术包括：hSGO的静态-动态三维培养体系、类器官融合技术、单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析、多电极阵列（MEA）电生理记录、光遗传学调控、逆行病毒追踪及全组织透明化成像。所有hPSC系（H9、H1 hESC和RC01001A hiPSC）均经上海科技大学伦理委员会批准使用。

hSGO的生成与表征

通过定向分化，hPSC在三维培养中自组织形成头部（交感神经富集）和尾部（间充质细胞富集）双域结构。免疫染色显示头部域高表达交感神经元标志物酪氨酸羟化酶（TH）、外周蛋白（PRPH）、转录因子PHOX2B和GATA2/3，以及胶质细胞标志物S100β。去除尾部域后，hSGO在长期培养中维持交感神经元和卫星胶质细胞的稳定共存，并伴随神经元胞体增大等功能成熟特征。 scRNA-seq进一步证实hSGO细胞与小鼠体内自主神经系统发育高度相似，且不同于皮层或丘脑类器官的神经元类型。

hSGO的功能性验证

电生理记录显示hSGO神经元具有自发放电活动，Nav1.7钠通道阻断剂PF 05089771可抑制其放电，而尼古丁或乙酰胆碱能通过激活nAChRs增强放电频率。利用GRABNE2h荧光传感器，证实hSGO神经元在 depolarization 后可释放去甲肾上腺素（NE）。此外，hSGO对交感神经特异性神经毒素6-羟基多巴胺（6-OHDA）敏感，进一步验证其生理相关性。

构建交感-心脏互作模型

将表达GFP的hSGO与hHFO融合形成hSHO，活体成像和逆行病毒追踪证实交感神经元轴突可长距离投射至心脏区域，并形成突触素（SYP）富集的突触结构。抑制NGF受体TrkA可显著减少交感神经在心脏的支配，表明NGF信号在人类交感神经靶向支配中起关键作用。

互作模型揭示发育调控机制

光遗传学或尼古丁激活hSGO神经元可显著提升hHFO的搏动频率，且该效应可被β受体阻滞剂普萘洛尔阻断。共培养还促进交感神经元成熟（GATA2/3⁺细胞增加）和心肌细胞结构优化（连接蛋白Cx43表达上调、肌节长度增加、线粒体分支延长）。对比皮层类器官融合组，上述效应具有交感特异性。

疾病建模应用

在高糖条件下培养hSHO，模拟糖尿病环境，发现交感神经支配退化、神经元凋亡增加，为糖尿病性心脏自主神经病变机制研究提供了新模型。

该研究首次在三维类器官体系中重现了人类交感神经节的自我组织发育，并构建了功能性交感-心脏互作模型，填补了外周神经系统体外模型的空白。hSGO和hSHO平台不仅为研究交感神经发育、靶器官支配及相关疾病机制提供了强大工具，还揭示了组织间互作在共发育中的双向调控作用，为未来开发神经-器官互作相关疾病的干预策略奠定了坚实基础。