額顳葉癡呆（FTD）是一組致命的、使人衰弱的大腦疾病，占所有癡呆癥的5%-6%。值得注意的是，FTD是可遺傳的，約50%的病例有家族史，且不少為非老年患者，約占65歲以下病例的20%。

更重要的是，目前還沒有有效治愈FTD的方法，早發(fā)現(xiàn)、早干預(yù)是治療或延緩這類疾病的最好方法。由此看來，要想讓治療干預(yù)發(fā)揮最大作用，識別FTD相關(guān)的神經(jīng)細胞死亡之前的分子變化和疾病生物標志物是非常必要的。

2021年7月26日，美國西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院的研究人員在 Cell 期刊發(fā)表題為：ELAVL4, splicing, and glutamatergic dysfunction precede neuron loss in MAPT mutation cerebral organoids 的研究論文。

該研究構(gòu)建了可以在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的大腦類器官，重現(xiàn)了被廣泛研究的額顳葉癡呆的大部分損傷，以此揭示了突變的tau蛋白是如何觸發(fā)一類在額顳葉癡呆中脆弱的神經(jīng)元死亡的。此外，研究人員還表示，一種最初設(shè)計用于治療克羅恩病的實驗性藥物apilimod可以阻止這些神經(jīng)元的死亡，從而預(yù)示了一種治療額顳葉癡呆的新方法。

額顳葉癡呆對于患者和他們的親人來說是一種毀滅性的疾病，這種病癥會影響大腦的前部和側(cè)（顳）區(qū)域，導(dǎo)致行為改變，說話和思考困難。然而，了解癡呆癥的發(fā)病原因是很困難的，因為大多數(shù)大腦損傷在癥狀出現(xiàn)之前就已經(jīng)發(fā)生了。

因此，科學(xué)家們想要找到額顳葉癡呆的發(fā)病原因，就像偵探試圖解開兇手在犯罪現(xiàn)場的犯罪過程一樣。這項研究通過對tau蛋白V337M突變患者的大腦病理進行建模，還原了額顳葉癡呆的“犯罪過程”。

本研究的模式圖

在這項研究中，西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院、紐約倫斯勒神經(jīng)干細胞研究所、圣路易斯華盛頓大學(xué)、麻省總醫(yī)院和南加州大學(xué)的科學(xué)家們通力合作，從誘導(dǎo)多能干細胞（iPSCs）中創(chuàng)造了數(shù)千個大腦類器官，其中包括iPSC衍生的表達tau-V337M的大腦類器官。

誘導(dǎo)多能干細胞（iPSCs），是通過基因和化學(xué)方法將人的成熟細胞重新編程為新生干細胞，這些新生干細胞有潛力成為身體中的任何細胞，甚至形成人體組織的微型和簡化版本——類器官，以便與科學(xué)家們進行深入研究。

本研究的通訊作者 Sally Temple 博士說道：“誘導(dǎo)多能干細胞是一種強大的研究工具，它允許研究人員在培養(yǎng)皿中個性化研究每位患者的疾病。我們將iPSC-類器官技術(shù)與高通量、單細胞基因活性分析相結(jié)合，從而更好地了解在疾病發(fā)展的早期階段，甚至在癥狀出現(xiàn)之前，患者的大腦中可能發(fā)生了什么?！?/span>

通過誘導(dǎo)多能干細胞（iPSC）構(gòu)建大腦類器官

研究人員檢查了來自3名患者的iPSC-類器官的生長和發(fā)育，這些大腦類器官都在tau蛋白中攜帶V337M突變。然后，研究人員將其與在對照組類器官中觀察到的結(jié)果進行了比較——對照組同樣來自于患者的干細胞，但其中的致病突變經(jīng)過了基因糾正。

在培養(yǎng)6個月后，研究人員在tau-V337M類器官中發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)退化的跡象，這一現(xiàn)象也在FTD患者中可見。更值得注意的是，患者來源的類器官比對照組類器官的興奮性神經(jīng)元更少，這表明tau突變足以導(dǎo)致這一特定類別的神經(jīng)元細胞死亡水平更高。

事實上，興奮性神經(jīng)元通常會對神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)谷氨酸產(chǎn)生反應(yīng)，并在額顳葉癡呆中因異常高水平死亡。此外，病人來源的類器官也有較高水平的tau蛋白的有害變體和較高水平的炎癥。

在培養(yǎng)6個月后，tau-V337M類器官出現(xiàn)了神經(jīng)退化的跡象

文章的第一作者 Kathryn Bowles 博士說：“興奮性神經(jīng)元細胞死亡、tau蛋白沉積和炎癥是各種形式的額顳葉癡呆損傷的典型特征。因此，我們接下來想知道的是，在這些疾病特征出現(xiàn)之前發(fā)生的細胞和分子過程是什么?！?/span>

基于此，研究人員回溯調(diào)查了培養(yǎng)兩個月和培養(yǎng)四個月的患者來源類器官。他們發(fā)現(xiàn)，在2個月時，突變的類器官顯示微管相關(guān)蛋白（MAPT）、谷氨酸信號通路和調(diào)節(jié)器的表達上調(diào)，以及應(yīng)激顆粒增加。在4個月時，突變體的類器官積累了剪接變化、自噬功能的破壞以及tau和P-tau-S396的形成。

tau-V337M類器官表現(xiàn)為神經(jīng)元丟失、自噬功能破壞和tau積累

不僅如此，該研究還發(fā)現(xiàn)，在最初的幾個月里，突變體類器官中的興奮性神經(jīng)元比對照組成熟得更快。此外，其他實驗表明，這些變化可能是突變的tau蛋白、興奮性神經(jīng)元基因和RNA結(jié)合蛋白ELAVL4之間復(fù)雜相互作用的副產(chǎn)物。

因此，這些研究結(jié)果表明，V337M突變型tau蛋白在大腦中引發(fā)了一個惡性循環(huán)，使興奮性神經(jīng)元處于巨大的壓力之下而加速死亡。此外，它還加快了成熟所需要的新蛋白質(zhì)的生產(chǎn)，但阻礙了舊的蛋白的降解過程。

進一步的實驗也支持了這一觀點：與對照組相比，突變類器官中的興奮性神經(jīng)元在谷氨酸中毒水平條件下存活的可能性更小。

Tau-V337M類器官表現(xiàn)出早期神經(jīng)元成熟和突觸信號通路上調(diào)

更重要的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)，一種最初設(shè)計用于治療克羅恩病的實驗性藥物——apilimod，可以防止這種情況發(fā)生。換而言之，當研究人員用apilimod處理樣本時，突變體和對照組的類器官在谷氨酸誘導(dǎo)的細胞死亡水平上沒有差異。