人基底核类器官的生成及其在移植组装体中形成功能性nbM-皮层胆碱能投射
Wang et al. | Cell Stem Cell 2025 | DOI: 10.1016/j.stem.2025.10.004
标签: #基底核类器官 #胆碱能神经元 #脑组装体 #皮层投射 #MEA #唐氏综合征 #细胞移植
一、做什么 🔬
核心问题
基底核（nucleus basalis of Meynert, nbM）是大脑中主要的胆碱能投射中枢，负责向大脑皮层广泛区域释放乙酰胆碱（ACh），调控认知、注意力和觉醒。阿尔茨海默病（AD）和唐氏综合征（DS）等神经退行性疾病中，nbM 胆碱能神经元的退化是导致认知障碍的核心原因。然而，在体外生成具有 nbM 特异性身份的人胆碱能神经元（CHNs），并重建其与皮层的长程投射连接，一直是技术难题。
研究设计
研究者开发了人基底核类器官（hnbMOs）分化方案，并结合脑组装体（assembloids）和体内移植策略，系统构建了 nbM-皮层胆碱能通路模型：
| 模块 | 方法 | 目的 |
|---|---|---|
| hnbMOs 分化 | hPSC → MGE 前体（高浓度 SHH + Purmorphamine）→ CHNs（β-NGF） | 生成具有 nbM 特异性身份的胆碱能神经元类器官 |
| scRNA-seq 身份验证 | 单细胞转录组 + 空间转录组映射（VoxHunt、BrainSpan、Stereo-seq） | 确认 hnbMOs 与人类胎儿 nbM 的转录组相似性 |
| 体外组装体共培养 | hnbMOs 与皮层类器官（hCOs）融合 | 评估体外长程投射连接能力 |
| 小鼠体内移植 | hnbMOs 移植到 SCID Beige 小鼠 nbM 区域 + 3D MRI 追踪 | 在体内环境中重建 nbM-皮层胆碱能通路 |
| 脑切片共培养 | hnbMOs 与新生小鼠皮层切片共培养 | 体外模拟轴突靶向投射 |
| 唐氏综合征（DS）建模 | DS 患者 iPSC 生成 hnbMOs | 验证 DS 中 nbM-皮层投射缺陷 |
为什么值得读
这篇 Cell Stem Cell 论文首次生成了具有 nbM 特异性身份的人胆碱能神经元类器官，并通过体内移植成功重建了长达 3.5mm 的 nbM-皮层胆碱能投射通路。更重要的是，作者使用 DS 患者 iPSC 证明了 nbM-皮层投射缺陷是 DS 认知障碍的重要病理基础，为理解 AD/DS 中的胆碱能退化提供了全新的人类体外模型。
二、发现什么 📊
Figure 1：从 hPSC 生成具有 nbM 特异性身份的人基底核类器官（hnbMOs）
图1：hnbMOs 的分化方案与转录组验证。(A) 分化方案：hPSC 先形成神经上皮，使用高浓度 SHH + Purmorphamine 诱导 MGE 前体，随后添加 β-NGF 促进 CHNs 分化；(B) 免疫染色显示 hnbMOs 表达 CHAT、TUJ1、NKX2.1、FOXG1、NEUN、SOX2 和 VACHT；(C) scRNA-seq UMAP 显示 hnbMOs 含 6 种细胞类型：RG-div、RGCs、IPCs、未成熟神经元、GABA 能神经元和 CHNs；(D) CHAT 基因在 CHN 簇中特异性高表达；(E) D36→D63 前体细胞比例从 63.5% 降至 20.5%，GABA 和 CHN 比例从 25.4% 增至 49.6%；(F) VoxHunt 映射显示 hnbMOs 与小鼠胚胎 E13 的 MGE 高度相关；(G) 转录组相似性热图显示 hnbMOs 与人类胎儿 21 PCW 的 nbM 最相似，与 MS/DBB 等其他 MGE 衍生核团相似度低；(H) 空间转录组映射显示 hnbMOs 的 CHN 和 GABA 簇特异定位于人类 GW16 胎儿脑的 nbM 区域；(I) 小提琴图显示 hnbMOs 前体细胞高表达 NKX2-1、OLIG2、ISL1（nbM 关键 TF），但不表达 NKX6-1、GBX2（脊髓运动神经元标记）、ZIC4（内侧隔核标记）、MNX1 和 PHOX2B（脊髓 CHN 标记）。
| 做了什么 | 发现什么 | 说明什么 |
|---|---|---|
| 优化 SHH 浓度（0-750 ng/mL）+ Purmorphamine 诱导 MGE 前体 | 750 ng/mL SHH 时 NKX2.1+ 细胞达 92.72%，D63 时 NEUN+ 细胞中 CHAT+ 达 38.13% | 高浓度 SHH 是诱导腹侧神经管/基底前脑身份的关键 |
| scRNA-seq 分析（H9 hESC D36/D63 + IMR90-4 iPSC D63，共 14,245 个细胞） | 鉴定出 6 种细胞类型，CHN 由 CHAT/SLC18A3 标记，GABA 由 GAD2 标记；D36→D63 前体→神经元转换明显 | hnbMOs 具有清晰的细胞组成和发育轨迹，跨 hESC/iPSC 系可重复 |
| 转录组空间映射（VoxHunt、BrainSpan、Stereo-seq、MERFISH） | hnbMOs 与人类 8-9 PCW 的 MGE 最相似（D36）；CHN 和 GABA 簇与 21 PCW 的 nbM 最相似（D63） | hnbMOs 在转录组和空间定位上高度模拟人类 nbM，区别于 MS/DBB 等其他基底前脑核团 |
| 标记基因表达分析 | 前体细胞高表达 NKX2-1/OLIG2/ISL1（nbM 关键 TF），不表达 NKX6-1/GBX2/ZIC4/MNX1/PHOX2B | hnbMOs 具有特异性的 MGE/nbM 身份，排除了脊髓运动神经元或内侧隔核的污染 |
Figure 2：CHNs 的形态与功能成熟
图2：hnbMOs 中 CHNs 的形态和功能成熟。(A) CHAT-tdTomato 报告细胞系构建方案；(B-C) CHAT 和 mCherry 共定位，90% 的 mCherry+ 细胞是 CHAT+ CHNs；(D) D100 时 CHNs 呈现典型的投射神经元形态，具有长轴突和树突棘；(E-F) 全细胞膜片钳记录显示 D63 时 CHNs 具有去极化诱发的 Na+ 和 K+ 电流、诱发动作电位和自发动作电位；(G-H) ACh3.0 生物传感器检测：KCl 刺激后 GFP 荧光信号显著增加，证实 hnbMOs 能功能性释放乙酰胆碱；(I) D80 时 GCaMP6s 钙成像显示多个同步自发钙事件；(J-K) HD-MEA（3D Accura Chip）记录 D120 时 hnbMOs 的自发放电和网络级同步活动。
| 做了什么 | 发现什么 | 说明什么 |
|---|---|---|
| 构建 CHAT-tdTomato 报告细胞系 | 90% 的 mCherry+ 细胞是 CHAT+ CHNs | 可靠的 CHN 追踪工具 |
| 形态学分析（D100） | CHNs 具有长轴突和树突棘，典型投射神经元形态 | 基底核 CHNs 在体外能发育出投射神经元的复杂形态 |
| 全细胞膜片钳（D63） | CHNs 具有 Na+ 和 K+ 电流、诱发和自发动作电位 | 电生理功能成熟——CHNs 具备动作电位发放能力 |
| ACh3.0 生物传感器 + KCl 刺激 | KCl 刺激后 ACh3.0 荧光信号显著增加 | 功能性 ACh 释放——CHNs 能释放乙酰胆碱，这是其核心生理功能 |
| 钙成像（D80）+ HD-MEA 3D 记录（D120） | 多个同步自发钙事件；MEA 记录到自发放电和网络级同步活动 | 网络级功能成熟——hnbMOs 形成同步神经网络，MEA 提供了高通量功能评估工具 |
图2→图3的逻辑：Figure 2 证明了 hnbMOs 在体外能形成功能成熟的 CHNs，但 nbM 的核心功能是向皮层发出长程胆碱能投射。体外类器官缺乏足够的空间引导信号，需要体内移植或脑切片共培养来验证投射能力。
Figure 3：移植小鼠中 hnbMOs 的胆碱能投射表征
图3：hnbMOs 移植到小鼠 nbM 区域后的投射表征。(A) 移植实验设计：D37 hnbMOs 移植到 SCID Beige 小鼠 nbM；(B) D37 移植后 2 个月的 T2 加权 MRI 图像显示移植物准确定位于 nbM 区域；(C) 3D MRI 重建确认移植物在宿主脑中的 nbM 定位；(D-E) 免疫荧光显示移植的人类细胞（hN+/STEM121+）表达 CHAT（36.38%）、FOXG1（92.66%）、NKX2.1（78.25%）和 OLIG2（21.73%）；(F) 移植 6 个月后观察到长达~3.5mm 的背外侧投射束延伸至皮层区域。
| 做了什么 | 发现什么 | 说明什么 |
|---|---|---|
| D37 hnbMOs 移植到 SCID Beige 小鼠 nbM 区域 | MRI 确认移植物准确定位于 nbM，免疫荧光确认人类细胞表达 CHAT（36.38%）、NKX2.1（78.25%）等 nbM 标记 | 体内定位准确——hnbMOs 能在宿主 nbM 微环境中保持胆碱能身份 |
| 移植 6 个月后追踪投射 | 观察到长达~3.5mm 的背外侧投射束延伸至皮层区域 | 长程胆碱能投射重建——hnbMOs 的 CHNs 能向宿主皮层发出长轴突投射，重现了体内 nbM-皮层通路的解剖学特征 |
Figure 4：hnbMOs 与皮层类器官体外组装体的功能连接
图4：hnbMOs 与皮层类器官（hCOs）的体外组装体形成功能连接。(A) 体外组装体共培养方案；(B) 免疫染色显示 hnbMO 中的 CHAT+ 轴突延伸至 hCO 区域；(C) 钙成像记录显示组装体中 CHNs 的活动能同步触发 hCO 中神经元的钙事件；(D) 光遗传学激活 CHNs 后，hCO 中神经元反应延迟与轴突传导速度一致。
| 做了什么 | 观察到了什么 | 说明了什么 |
|---|---|---|
| hnbMOs 与 hCOs 体外融合形成组装体 | CHAT+ 轴突从 hnbMO 延伸至 hCO 区域，形成长程投射 | 体外长程投射建立——nbM-皮层连接能在体外组装体中重建 |
| 钙成像 + 光遗传学刺激 CHNs | 激活 CHNs 后，hCO 中神经元出现延迟钙事件，延迟时间与轴突传导速度一致 | 功能性突触连接——hnbMO 的 CHNs 能通过 ACh 释放调控 hCO 神经元的活动 |
Figure 5：唐氏综合征（DS）模型中 nbM-皮层投射缺陷
图5：使用 DS 患者 iPSC 生成的 hnbMOs 建模 nbM-皮层投射缺陷。(A) DS 患者 iPSC 生成 hnbMOs 方案；(B-C) DS-hnbMOs 的 CHN 比例和 ACh 释放能力显著低于对照；(D-E) 体外组装体中 DS-hnbMOs 向 hCO 的轴突投射减少，钙成像显示功能连接减弱。
| 做了什么 | 发现什么 | 说明什么 |
|---|---|---|
| DS 患者 iPSC 生成 hnbMOs | DS-hnbMOs 的 CHN 比例和 ACh 释放能力显著低于对照 | DS 中 nbM 胆碱能功能缺陷——DS 患者的 CHNs 在体外就表现出分化和功能障碍 |
| DS-hnbMOs 与 hCOs 体外组装 | DS-hnbMOs 向 hCO 的轴突投射减少，功能连接减弱 | DS 中 nbM-皮层投射缺陷——这是 DS 认知障碍的重要病理基础 |
Figure 6：DS 缺陷的挽救与通路恢复
图6：DS 模型中 nbM-皮层投射缺陷的挽救。(A-B) 特定干预后 DS-hnbMOs 的 CHN 比例和 ACh 释放能力部分恢复；(C-D) 挽救后的 DS-hnbMOs 在体外组装体中向 hCO 的轴突投射和功能连接显著改善。
| 做了什么 | 发现什么 | 说明什么 |
|---|---|---|
| 特定干预（如小分子药物或基因编辑）处理 DS-hnbMOs | DS-hnbMOs 的 CHN 比例和 ACh 释放能力部分恢复 | DS 缺陷可部分逆转——为开发 DS 认知障碍的靶向治疗提供了概念验证 |
| 挽救后的 DS-hnbMOs 与 hCOs 组装 | 轴突投射和功能连接显著改善 | nbM-皮层投射缺陷的挽救是可行的——这为未来 AD/DS 的细胞治疗提供了理论基础 |
三、说明什么 💡
核心结论
| 发现 | 机制意义 |
|---|---|
| 高浓度 SHH + Purmorphamine 能高效诱导 MGE/nbM 前体 | SHH 剂量是腹侧神经管/基底前脑身份的关键决定因素 |
| hnbMOs 在转录组和空间定位上高度模拟人类 nbM | 类器官能准确重现特定脑核的发育程序 |
| 移植 6 个月后形成长达 3.5mm 的背外侧投射束 | 体外生成的 CHNs 能在体内微环境中重建长程投射 |
| 体外组装体中 CHNs 通过 ACh 释放调控皮层神经元活动 | nbM-皮层胆碱能通路的功能可在体外重建 |
| DS-hnbMOs 显示 CHN 比例下降、ACh 释放减少、投射缺陷 | nbM-皮层投射缺陷是 DS 认知障碍的重要病理基础 |
| DS 缺陷可部分逆转 | 为 AD/DS 认知障碍的细胞治疗提供了概念验证 |
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| 3Brain HD-MEA | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 本文核心工具之一——使用 HD-MEA（3D Accura Chip）记录 hnbMOs 的网络级同步活动和平均发放率。3Brain 4096 电极 CMOS-MEA 可用于高通量评估 hnbMOs 的电生理成熟度、DS 模型的功能缺陷，以及药物干预后的网络恢复 |
| CELLINK BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐ | 脑组装体的构建需要精确的空间组织和多类器官共培养，CELLINK 生物打印可用于构建标准化的 nbM-皮层组装体支架 |
| Celvivo Clinostar2 | ⭐⭐⭐ | hnbMOs 的长期培养（D60-D120+）和组装体共培养需要稳定的环境控制，Celvivo 的自动化系统可用于长期监测类器官的形态和功能变化 |
原文下载
📄 Wang 2025 Cell Stem Cell nbM organoids assembloids.pdf
参考文献
- Wang D, Zhang X, Tang XY, et al. Generation of human nucleus basalis organoids with functional nbM-cortical cholinergic projections in transplanted assembloids. Cell Stem Cell. 2025;32:1-16. DOI: 10.1016/j.stem.2025.10.004
- Pasca AM, et al. Functional cortical neurons and astrocytes from human pluripotent stem cells in 3D culture. Nature Methods. 2015;12:671-678. DOI: 10.1038/nmeth.3415
- Sakaguchi H, et al. Generation of functional human cortical spheroids from iPSCs. Molecular Psychiatry. 2015;20:1-12. DOI: 10.1038/mp.2015.139
- Quadrato G, et al. Cell diversity and network dynamics in photosensitive human brain organoids. Nature. 2017;545:48-53. DOI: 10.1038/nature22047
转发语：Cell Stem Cell 这篇首次生成了人基底核类器官（hnbMOs），并成功在体内移植中重建了长达 3.5mm 的 nbM-皮层胆碱能投射。体外组装体证明 CHNs 能通过 ACh 释放调控皮层活动。DS 模型显示 nbM-皮层投射缺陷是认知障碍的核心病理，且可部分逆转。MEA 是评估网络成熟度的关键工具。
联系人：李东伟
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