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帕金森病（PD）治疗面临困境，为探究其致病机制，研究人员以携带 MIRO1p.R272Q突变的患者特异性诱导多能干细胞（iPSC）衍生的中脑类器官为研究对象。结果发现该突变影响多巴胺能神经元发育，破坏代谢平衡和神经元 - 星形胶质细胞代谢串扰，为 PD 研究提供新方向。
帕金森病（Parkinson’s disease，PD），这一神经退行性疾病，正逐渐成为全球健康领域的一大挑战。它如同隐匿在人体神经系统中的 “幽灵”，悄无声息地侵蚀着中脑黑质致密部的多巴胺能神经元，致使患者出现运动障碍等一系列症状。目前，PD 的治疗手段仅能缓解症状，且适用范围有限，无法从根本上阻止疾病的进展。此外，大部分 PD 病例病因不明，虽然遗传因素在其中起到一定作用，但具体的致病机制仍如同迷雾，亟待揭开。为了深入探究 PD 的发病机制，来自卢森堡大学卢森堡系统生物医学中心（Luxembourg Centre for Systems Biomedicine, LCSB）等机构的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们将目光聚焦于 MIRO1 基因的 p.R272Q 突变，试图从细胞和分子层面揭示其与 PD 之间千丝万缕的联系。该研究成果发表在《npj Systems Biology and Applications》上，为 PD 的研究开辟了新的道路。
研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。首先是中脑类器官培养技术，利用人类来源的诱导多能干细胞（iPSC）培育出模拟人类胚胎中脑的类器官，为研究提供了接近人体生理环境的模型。其次是单细胞 RNA 测序（scRNAseq）技术，该技术能够在单细胞水平上分析基因表达情况，帮助研究人员精准地了解不同细胞类型的特征和变化。最后是代谢建模技术，通过构建代谢模型，研究人员得以深入探究细胞间的代谢相互作用以及代谢途径的变化。
PD - MIRO1 突变体类器官显示出持续的多巴胺能神经元缺失和改变的星形胶质细胞分化。研究人员通过培养携带 MIRO1p.R272Q突变的患者 iPSC 衍生的中脑类器官（PD 或 PD - MIRO1）、相应的等基因对照 iPSC 系（GC）以及性别和年龄匹配的健康个体的 iPSC 系（WT），并在培养的第 20、30、60 和 90 天对类器官中的神经元、多巴胺能神经元和星形胶质细胞进行评估。结果发现，PD - MIRO1 突变体类器官中多巴胺能神经元数量显著减少，且这种减少在培养 30 天后开始显现并持续存在。同时，虽然成熟星形胶质细胞的数量没有明显变化，但 GFAP 和 S100B 蛋白的合成似乎被延迟，这可能会影响星形胶质细胞的功能。
PD - MIRO1 突变体类器官中多巴胺能神经元的分化路径改变导致酪氨酸羟化酶（TH）随时间流失。研究人员对分化 30 天和 60 天的中脑类器官进行单细胞转录组分析，识别出七个不同的细胞簇，包括两个不同的多巴胺能神经元簇。其中，THhigh多巴胺能神经元簇在 PD 中脑类器官中随时间减少，且 PD 中脑类器官在 30 天时多巴胺能神经元分化加速，但后续发育受阻。而 WT 中脑类器官则呈现出逐渐的多巴胺能神经元分化过程。
MIRO1 突变的多巴胺能神经元存在线粒体呼吸功能障碍。研究人员通过空间自相关分析确定了在 WT 和 PD 多巴胺能神经元中随伪时间轨迹表达变化的基因，并进行基因富集分析。结果表明，WT 和 PD 中脑类器官中变化最大的基因的分子功能都与电子传递和氧化还原驱动的跨膜转运体活性密切相关。进一步研究发现，PD 多巴胺能神经元中线粒体 DNA 基因表达水平显著升高，但线粒体呼吸功能却较弱，同时糖酵解相关酶的表达下调，表明其对糖酵解供能的依赖减少。
多细胞群体建模预测中脑类器官的代谢活动。研究人员利用代谢建模技术，将离散化的 scRNAseq 数据与通用的人类代谢重建模型 Recon3D 以及定量的培养基信息相结合，构建了代谢网络模型。通过通量平衡分析（FBA）发现，PD 和 WT 中脑类器官在代谢反应通量上存在差异，PD 中脑类器官中乳酸和其他副产物的分泌增加，神经元 - 星形胶质细胞的代谢串扰受到影响，且 PD 中脑类器官的能量生成途径活动发生改变，糖酵解通量增加，而三羧酸循环（TCA）和氧化磷酸化（OXPHOS）的通量减少，脂肪酸氧化（FAO）通量增加。
多细胞群体建模预测 WT 与 PD 条件下核心代谢途径的差异活动。研究人员深入研究各核心代谢途径，发现 PD 模型中糖酵解虽预测通量增加，但葡萄糖摄取减少；TCA 和 OXPHOS 代谢途径中代谢物通量存在明显差异；FAO 代谢在 PD 模型中增加。在单细胞水平上，WT 和 PD 中不同细胞类型的代谢活动存在显著差异，PD 多巴胺能神经元与星形胶质细胞之间的代谢相互作用被破坏。此外，研究人员通过实验证实 PD 中脑类器官的线粒体膜电位显著降低，线粒体活性氧（ROS）水平显著升高，进一步表明 MIRO1p.R272Q突变对线粒体代谢活动具有有害影响。
综合来看，该研究表明 MIRO1p.R272Q突变导致线粒体呼吸功能障碍，影响多巴胺能神经元的发育路径和代谢平衡，最终导致其缺失。这一研究成果为深入理解 PD 的发病机制提供了重要线索，有助于开发更有效的治疗策略。然而，研究也存在一定的局限性，如仅使用了一个携带 MIRO1p.R272Q突变的 PD 患者细胞系，未来需要纳入更多细胞系以提高研究的统计学效力。同时，单细胞代谢建模目前仅具有预测价值，缺乏实验验证方法，后续研究可通过开展通量变异性和通量采样分析等方法来进一步完善代谢模型，为 PD 的研究和治疗带来新的希望。
