孕期可卡因暴露对胎儿大脑发育的影响：基于类器官模型的新发现

《Translational Psychiatry》：Cocaine perturbs neurodevelopment and increases neuroinflammation in a prenatal cerebral organoid model

孕期可卡因暴露（PCE）影响胎儿大脑发育，导致多种神经问题。研究人员利用人类诱导多能干细胞（iPSC）来源的大脑类器官，研究可卡因对神经发育的影响。结果发现，可卡因改变基因表达、神经可塑性等，该研究为相关神经疾病防治提供新思路。

　　在当今社会，毒品问题一直是全球关注的焦点，其中孕期可卡因暴露对胎儿大脑发育的影响更是备受瞩目。孕期可卡因暴露的发生率呈上升趋势，这成为了一个严峻的公共卫生问题。可卡因作为一种精神活性兴奋剂，在孕期使用会给胎儿大脑发育带来极大危害，可能导致胎儿在语言、注意力、行为、认知和工作记忆等方面出现缺陷 。但由于获取胎儿组织受限以及伦理问题，研究其对人类神经发育的影响困难重重。虽然动物模型在一定程度上帮助我们了解了可卡因的神经毒性作用，但人类大脑发育的一些特定生物学过程与其他物种存在显著差异，动物模型的研究结果并不能完全代表人类的情况。因此，迫切需要一种更合适的模型来深入研究孕期可卡因暴露对人类神经发育的影响。

来自都柏林大学学院（University College Dublin）的研究人员针对这一问题开展了相关研究。他们利用人类诱导多能干细胞（iPSC）来源的大脑类器官，模拟孕期可卡因暴露的情况，深入探究可卡因对早期大脑发育的影响。该研究成果发表在《Translational Psychiatry》上，为我们理解孕期可卡因暴露对神经发育的影响提供了新的视角和重要依据。

在研究方法上，研究人员主要运用了以下关键技术：一是单细胞 RNA 测序（scRNAseq）和单细胞 ATAC 测序（scATACseq）技术，用于分析基因表达和染色质可及性的变化；二是免疫荧光技术，用于观察细胞和组织的形态及相关蛋白表达；三是蛋白质免疫印迹（Western blotting）和实时定量 PCR（RT-qPCR）技术，分别用于检测蛋白质和基因的表达水平 ；四是利用多种生物信息学分析方法，如 Seurat、SCENIC、CellChat 等，对实验数据进行深入分析，挖掘潜在的分子机制和细胞间相互作用。

研究结果如下：

1. 可卡因对 36 天龄大脑类器官的影响：研究人员培养了 36 天（D36）的大脑类器官（COs），并使用 25μM 可卡因处理 48 小时，随后禁欲 24 小时，以模拟孕期的暴饮暴食式暴露。通过 scRNAseq 分析发现，可卡因处理后，不同细胞簇中的基因表达发生了显著变化，1180 个基因上调，900 个基因下调。基因本体（GO）和 IPA 分析表明，上调基因主要富集在代谢途径，而下调基因与中枢神经系统发育和细胞增殖调控相关。此外，研究还发现 COs 表达了对可卡因作出反应的相关基因，且这些基因的表达水平在可卡因处理后大多未发生改变12。
2. 可卡因改变神经可塑性、发育信号和神经炎症状态：在可卡因处理的 COs 中，神经元可塑性相关的立即早期基因（IEGs）及其信号通路发生了改变，如 FOSB 蛋白和 FOS、JUNB、JUND 基因表达增加，同时一些与神经发育相关的基因表达下调，这表明 PCE 可能导致神经发育缺陷。此外，可卡因暴露还激活了类器官中的星形胶质细胞样细胞，使其表达与反应性星形胶质细胞、炎症反应和氧化应激相关的标记物，同时一些与谷氨酸神经传递相关的基因表达也发生变化，提示可能存在药物诱导的兴奋性毒性状态34。
3. 可卡因介导的表观遗传景观重塑：scRNAseq 研究发现，可卡因增加了多种表观遗传调节因子的表达，如染色质重塑剂、组蛋白甲基转移酶等。通过 scATACseq 进一步研究发现，可卡因处理后，不同细胞类型中存在大量差异可及区域（DARs），导致全局染色质可及性在转录起始位点（TSS）、启动子和 DNase I 超敏感位点降低。Motif 分析和 SCENIC 分析表明，与 IEG 相关的转录因子在可卡因反应中起重要调控作用，建立了以 IEG 相关基因为中心的转录调控机制56。
4. 可卡因介导的类器官细胞间通讯改变：利用 CellChat 分析发现，可卡因处理后，类器官中细胞间的相互作用和信号通路发生了显著变化，如 Midkine（MDK）、Pleiotrophin（PTN）等信号通路增强，同时还出现了新的信号通路。进一步研究发现，不同细胞类型在这些信号通路中的作用不同，如 AS2 和 PRG 之间的 Notch 和非经典 Wnt（ncWnt）信号增强，这可能影响神经元的增殖和分化，以及神经炎症反应78。

研究结论和讨论部分指出，该研究利用人类 iPSC 来源的 CO 模型，深入揭示了可卡因对早期人类大脑神经发育过程的干扰。可卡因通过改变基因表达模式，部分通过表观遗传景观重塑，破坏神经发育相关的细胞信号传导，引发星形胶质细胞样细胞的炎症样激活，这些都可能干扰大脑的正常发育和成熟。研究还发现，mRNA 翻译相关的细胞功能在可卡因处理后发生显著改变，这与其他研究中可卡因对翻译起始和延伸过程的影响一致。此外，可卡因暴露还导致谷氨酸神经传递的改变，以及 MDK 和 PTN 介导的信号传导增强，这些都与神经发育异常和神经炎症有关。总之，该研究不仅证实了人类 iPSC 来源的 CO 是研究孕期可卡因暴露的有效模型，还为理解孕期可卡因暴露导致神经发育异常的分子机制提供了重要线索，为未来开发针对胎儿可卡因暴露的新型治疗方法提供了理论基础，具有重要的科学意义和临床应用价值。