腦聲常談丨重建脊髓傳感-運(yùn)動環(huán)路：解碼運(yùn)動神經(jīng)元病突觸病變

運(yùn)動神經(jīng)元病（MND）包含脊髓性肌萎縮癥（SMA）、肌萎縮側(cè)索硬化（ALS）兩類核心亞型，均以運(yùn)動神經(jīng)元進(jìn)行性凋亡、癱瘓致死為特征，發(fā)病由神經(jīng)元自身損傷及神經(jīng)元-膠質(zhì)-肌肉交互紊亂共同驅(qū)動；SMA為單基因嬰幼兒遺傳病，ALS多為成年起病的多因素退行性疾病，現(xiàn)有療法療效有限，仍存在神經(jīng)元區(qū)域易損、神經(jīng)肌肉接頭病變時序等大量機(jī)制空白。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)基因動物、2D永生化細(xì)胞存在物種與生理差異，人體原代神經(jīng)組織取材受倫理限制，單層iPSC二維培養(yǎng)又缺少三維結(jié)構(gòu)、多細(xì)胞互作與成熟突觸，難以解析MND復(fù)雜的非細(xì)胞自主病理，臨床轉(zhuǎn)化失敗率居高不下。

誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）可攜帶患者完整遺傳背景，搭配CRISPR構(gòu)建等基因系能消除基因組干擾且倫理約束更低；依托iPSC自組織能力構(gòu)建的3D類器官可復(fù)刻人體神經(jīng)、肌肉時序發(fā)育，形成軸突、髓鞘與功能性神經(jīng)肌肉接頭，組裝體技術(shù)更能重建跨組織長距離神經(jīng)環(huán)路。當(dāng)前領(lǐng)域綜述多聚焦腦部退行性疾病，缺少針對MND各類3D模型、配套工程技術(shù)、疾病機(jī)制及篩選應(yīng)用的系統(tǒng)性梳理。

中樞神經(jīng)元與膠質(zhì)的雙向損傷

健康運(yùn)動神經(jīng)元擁有正常RNA與蛋白穩(wěn)態(tài)、完整線粒體及細(xì)胞骨架，少突膠質(zhì)形成髓鞘保障軸突傳導(dǎo)，星形膠質(zhì)、小膠質(zhì)可清除毒素、平衡谷氨酸并分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子。患病后運(yùn)動神經(jīng)元出現(xiàn)蛋白聚集、軸突運(yùn)輸障礙等細(xì)胞自主損傷；同時膠質(zhì)異常活化，大量釋放促炎介質(zhì)，谷氨酸清除能力下降引發(fā)興奮毒性，失去對神經(jīng)元的保護(hù)作用，通過非細(xì)胞自主機(jī)制加速神經(jīng)元死亡。

正常狀態(tài)下，運(yùn)動末梢釋放乙酰膽堿，依靠Agrin-LRP4-MuSK通路維持肌膜乙酰膽堿受體有序聚集，終末施萬細(xì)胞包裹突觸、維持信號穩(wěn)定。在SMA、ALS中，乙酰膽堿釋放減少，受體分布紊亂，終末施萬細(xì)胞功能受損，突觸結(jié)構(gòu)提前解體，產(chǎn)生由軸突末梢向神經(jīng)元胞體蔓延的逆行損傷，是疾病早期標(biāo)志性病理改變。

患病肌細(xì)胞線粒體紊亂、分化成熟受阻，肌纖維萎縮，同時對神經(jīng)來源信號應(yīng)答減弱，雙向營養(yǎng)交流中斷，反向加重突觸損傷。

脊髓發(fā)育的關(guān)鍵機(jī)制

人類脊髓雙重發(fā)育模式、軸分區(qū)分子調(diào)控機(jī)制，是構(gòu)建高保真脊髓3D類器官的核心理論依據(jù)。

脊髓的兩種神經(jīng)管發(fā)生模式：

人類脊髓分初級神經(jīng)形成、次級神經(jīng)形成兩條發(fā)育通路，對應(yīng)不同軀體節(jié)段。早期神經(jīng)板折疊形成初級神經(jīng)管，分化菱腦并經(jīng)初級神經(jīng)形成生成頸、胸段脊髓；神經(jīng)干細(xì)胞經(jīng)雙SMAD抑制完成神經(jīng)誘導(dǎo)，先后時序產(chǎn)生神經(jīng)元、星形膠質(zhì)與少突膠質(zhì)，小膠質(zhì)獨(dú)立起源于卵黃造血祖細(xì)胞，在胚胎早中期遷入脊髓定植。而腰骶尾段脊髓依靠尾芽內(nèi)神經(jīng)中胚層祖細(xì)胞（NMP）通過次級神經(jīng)形成發(fā)育；NMP兼具神經(jīng)、中胚層雙向分化潛能，受WNT、FGF、視黃酸信號動態(tài)平衡調(diào)控，空泡化形成次級神經(jīng)管并與前段神經(jīng)管銜接，支撐胚胎軀體軸向拉長。

脊髓前后軸HOX分區(qū)調(diào)控：

沿頭尾軸分布的FGF、GDF11、視黃酸濃度梯度逐級激活HOX家族基因，遵循時空共線性表達(dá)規(guī)律：后腦/頸段激活HOXA/B亞型，胸段表達(dá)HOXC，腰骶骶段高表達(dá)HOXC/D晚期亞型。HOX編碼的位置信息決定運(yùn)動神經(jīng)元亞型，直接對應(yīng)ALS、SMA不同發(fā)病表型（延髓/頸起病、肢體腰骶起病）；體外NMP類器官可復(fù)刻該逐步后移的HOX表達(dá)程序，為分節(jié)段脊髓類器官制備提供調(diào)控靶點(diǎn)。

脊髓背腹軸分區(qū)命運(yùn)決定：

脊髓頂板分泌BMP/WNT，底板分泌SHH，兩組信號相互拮抗，劃分背腹不同祖細(xì)胞域。背側(cè)6個祖細(xì)胞域生成各類感覺中間神經(jīng)元；腹側(cè)包含p0–p3與pMN五大區(qū)域，其中pMN域先后表達(dá)PAX6、OLIG2，是運(yùn)動神經(jīng)元專屬前體，最終分化表達(dá)ISL1、MNX1的成熟運(yùn)動神經(jīng)元。該背腹分層結(jié)構(gòu)決定脊髓感覺-運(yùn)動環(huán)路架構(gòu)，是體外模型構(gòu)建完整傳感通路的必備條件。

該發(fā)育框架明確兩類3D脊髓類器官（NPC來源前側(cè)脊髓類器官、NMP軸向延伸腰骶類器官）的分化邏輯：NPC體系復(fù)刻初級神經(jīng)形成，適配頸胸段MND研究；NMP體系模擬次級神經(jīng)形成，用于腰骶肢體型病變建模。同時揭示完整脊髓模型必須同時復(fù)刻背腹分區(qū)、HOX前后軸梯度、神經(jīng)元-膠質(zhì)時序分化三大特征，才能規(guī)避傳統(tǒng)2D培養(yǎng)、簡易類器官缺少區(qū)域特異性的缺陷，提升3D模型對運(yùn)動神經(jīng)元病的模擬保真度與臨床轉(zhuǎn)化價值。

兩類模型選用思路與共同短板

脊髓類器官可通過神經(jīng)祖細(xì)胞（NPC）誘導(dǎo)方案或神經(jīng)中胚層祖細(xì)胞（NMP）誘導(dǎo)方案制備，兩種方法能定向分化出脊髓腹角不同前后軸區(qū)段，也就是運(yùn)動神經(jīng)元產(chǎn)生的區(qū)域。

NPC型脊髓類器官：

先用藥物誘導(dǎo)出普通神經(jīng)干細(xì)胞，再加視黃酸等信號分子，做出后腦、脖子、胸口對應(yīng)的脊髓組織。

里面能長出運(yùn)動神經(jīng)元、星形膠質(zhì)、少突膠質(zhì)等多種細(xì)胞，適合觀察神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞怎么互相影響、互相損傷。

適合的研究包括說話吞咽出問題、呼吸無力的ALS，以及癥狀較輕的III、IV型SMA。缺點(diǎn)就是很難做出控制腿腳的腰骶運(yùn)動神經(jīng)元；每次做出來的類器官差別大，也沒有血管、免疫細(xì)胞。

NMP拉長型脊髓類器官：

通過延長WNT、FGF這類信號刺激，造出神經(jīng)中胚層祖細(xì)胞，模擬胚胎里腰、骶段脊髓的發(fā)育過程，類器官會自動拉長，大量生成控制四肢的運(yùn)動神經(jīng)元。

主要用來研究：腿腳先發(fā)病的ALS、嬰幼兒重型SMA，重點(diǎn)看運(yùn)動神經(jīng)元在發(fā)育階段就出現(xiàn)的先天缺陷。

研究頸胸段相關(guān)病癥選NPC模型，研究腿腳相關(guān)重癥選拉長型NMP模型。

通過對比NPC型與軸向延伸NMP型兩種脊髓類器官，前者模擬頸胸段脊髓，適配延髓、頸段發(fā)病及輕型MND研究，后者復(fù)刻腰骶脊髓特征，更適合肢體起病、重型SMA與青少年ALS相關(guān)機(jī)制探索，二者均存在批次差異、缺乏血管免疫組分等共性局限，可依據(jù)研究對應(yīng)的脊髓節(jié)段與疾病表型合理選擇建模方案。

各類模型適配病癥與優(yōu)缺點(diǎn)

皮質(zhì)-運(yùn)動組裝體拼接皮質(zhì)球、頸胸段脊髓球與肌肉類器官，可形成完整皮層-脊髓-肌肉傳導(dǎo)通路，適合模擬延髓、頸段發(fā)病的ALS與輕中度SMA；后軸組裝體基于統(tǒng)一HOX尾側(cè)譜系同步分化神經(jīng)、肌肉、結(jié)締組織，自帶多種施萬細(xì)胞，適合研究不同節(jié)段匹配的神經(jīng)肌肉接頭穩(wěn)態(tài)。研究證實(shí)神經(jīng)、肌肉前后軸HOX表達(dá)必須匹配才能形成穩(wěn)定突觸，而組裝體可以人為搭配不同軸向組織，精準(zhǔn)調(diào)控細(xì)胞組分與神經(jīng)連接。

胸腰段神經(jīng)肌肉類器官自帶終末施萬細(xì)胞，復(fù)刻四肢起病ALS與重型SMA表型；感覺運(yùn)動類器官額外包含感覺神經(jīng)元與微血管，可探究感覺-運(yùn)動環(huán)路共同損傷；神經(jīng)肌肉骨骼三聯(lián)類器官整合骨骼組織，能支撐肌纖維成熟，但室管膜細(xì)胞豐度過高，不利于運(yùn)動神經(jīng)元易損性研究。自組裝體系天然形成生理結(jié)構(gòu)完整的神經(jīng)肌肉接頭，操作流程簡單、易于批量制備。

組裝體與自組裝模型各有優(yōu)勢、互為補(bǔ)充。組裝體可控性強(qiáng)，方便基因編輯與單類細(xì)胞干預(yù)，適合精準(zhǔn)解析特定細(xì)胞的致病作用；自組裝模型結(jié)構(gòu)更貼近體內(nèi)真實(shí)狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，適配高通量藥物篩選。

總結(jié)

綜上，依托各類人體三維類器官解析運(yùn)動神經(jīng)元病發(fā)病機(jī)制意義重大。

現(xiàn)有二維細(xì)胞、動物模型難以完整復(fù)刻人類脊髓分區(qū)、神經(jīng)肌肉接頭微環(huán)境與多組織交互病變；而不同類型脊髓、神經(jīng)肌肉三維類器官可分別模擬頸胸/腰骶節(jié)段病變，還原神經(jīng)元、膠質(zhì)、施萬細(xì)胞、肌肉乃至骨骼間相互損傷通路。借助這類高保真體外模型，既能厘清運(yùn)動神經(jīng)元選擇性易感、突觸退行等關(guān)鍵科學(xué)難題，也能區(qū)分組裝體、自組裝類器官各自適用的研究場景，為挖掘致病靶點(diǎn)、開展高通量藥物篩選提供可靠平臺，有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)體系的局限，推動運(yùn)動神經(jīng)元病機(jī)制研究與臨床治療轉(zhuǎn)化。

文章來源：

https://doi.org/10.1038/s41583-026-01057-x

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