唐氏综合征脑类器官脉络丛缺陷增强SARS-CoV-2神经嗜性
Mohammed R. Shaker, Andrii Slonchak, Bahaa Al-mhanawi, Sean D. Morrison, Julian D. J. Sng, Justin Cooper-White, Alexander A. Khromykh, Ernst J. Wolvetang | Cell 2023 | DOI: 10.1101/2023.06.12.544552
标签: #脑类器官 #唐氏综合征 #脉络丛屏障 #SARS-CoV-2感染 #高通量电生理 #药物筛选
一、做什么 🔬
研究背景：唐氏综合征（DS）患者感染SARS-CoV-2后住院风险升高4倍、死亡风险升高10倍，其神经病理易感性机制尚未明确。脉络丛（CP）作为血脑屏障与脑脊液分泌枢纽，高表达ACE2受体及21号染色体编码的TMPRSS2蛋白酶，是病毒侵入中枢神经系统的潜在门户。传统脑类器官缺乏功能性脉络丛结构，无法模拟病毒经脑脊液屏障的入侵路径。
核心问题：
- 能否在体外构建同时包含功能性脉络丛与发育皮层的自组装脑类器官？
- 21号染色体三体是否导致脉络丛纤毛发生与上皮极性异常？
- 脉络丛结构如何调控SARS-CoV-2向皮层神经元的神经嗜性？
- 靶向TMPRSS2与Furin能否逆转唐氏综合征背景下的病毒复制表型？
研究模型：人源iPSC衍生的脉络丛-皮层脑类器官（CPCOs），包含唐氏综合征患者来源（DS18）与同源二倍体对照（EU79）。
技术路线：
- 双SMAD抑制诱导：SB431542与LDN193189处理3天，定向生成神经外胚层前体
- 脉络丛定向分化：BMP4（2.5 ng/ml）联合CHIR99021处理28天，模拟体内皮质半诱导脉络丛
- 3D悬浮自组装：超低吸附板培养形成核心皮层-外层脉络丛拓扑结构
- 多模态表征：bulk RNA-seq、透射电镜、高密度多电极阵列（MEA）记录电生理
- 感染与干预：SARS-CoV-2（原始株与Omicron BA.5）感染72小时，联合TMPRSS2/Furin抑制剂评估病毒滴度与转录组响应
二、发现什么 📊
核心发现1：BMP4/CHIR99021定向诱导可高效生成包裹完整脉络丛的脑类器官
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 将hNEct细胞悬浮培养，梯度添加BMP4（2.5至50 ng/ml）联合CHIR99021，于d14-d84检测MSX1/2、AQP1、TTR、KLOTHO表达，并测量类器官尺寸与上皮完整性 |
| 发现什么 | 2.5 ng/ml BMP4为最优浓度，SOX2+细胞比例降至50%；d28直径1.2 mm，d56/d120稳定在1.9 mm；>77%类器官形成完整ZO1+紧密连接与TTR+上皮覆盖，且可稳定培养8个月 |
| 说明什么 | 证实特定BMP4剂量可精确模拟体内皮质半信号，驱动脉络丛自组装并维持长期结构稳定，为后续感染模型提供标准化拓扑基础 |
核心发现2：脉络丛上皮极性、线粒体富集与纤毛发生随培养时间渐进成熟
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 通过免疫荧光、透射电镜与多重ELISA检测d14-d56类器官的紧密连接蛋白（ZO1/CLDNs）、纤毛标记（ARL13B）、基底膜极性（LAMININ）及分泌组 |
| 发现什么 | ZO1与LAMININ正确分选至顶/基底侧；纤毛长度d14 0.7 µm → d21 1.6 µm → d28 2.3 µm → d56 3.0 µm；多纤毛细胞占比d21 66% → d56 95.4%；>50%细胞携带5-9根纤毛；CST3与B2M分泌显著上调 |
| 说明什么 | 体外CPCOs重现了脉络丛上皮极性建立、线粒体代谢富集与脑脊液分泌功能，验证其具备生理性屏障与物质转运能力 |
核心发现3：皮层神经元分层发育与兴奋/抑制电生理回路在d56完全建立
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | qPCR与免疫染色追踪皮层分层标志物（PAX6/TBR1/CTIP2/SATB2/CUX1），使用高密度MEA记录d28-d56自发放电，并施加GABA/谷氨酸受体调节剂 |
| 发现什么 | d28核心出现TBR1+/CTIP2+神经元，d56外层出现SATB2+/CUX1+神经元；MEA显示自发放电率随时间递增；50 µM Bicuculline显著提升放电频率，200 µM Glutamate与50 µM NMDA诱发强响应 |
| 说明什么 | 证明CPCOs内部形成具备突触可塑性的兴奋-抑制平衡网络，为评估病毒感染对神经环路功能的破坏提供电生理读出窗口 |
核心发现4：唐氏综合征类器官重现脉络丛纤毛缺陷、极性紊乱与少突胶质前体细胞减少
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 对比DS18与EU79来源CPCOs的转录组（d28）、纤毛免疫染色、极性蛋白共定位定量（ZO1/β-catenin）及OPC标志物（SOX10/OLIG2）蛋白表达 |
| 发现什么 | 962个基因上调/997个下调，22个HSA21基因进入差异表达前500；DS脉络丛以单纤毛为主，ZO1/β-catenin共定位率DS 75%/44.7% vs EU 14%/9.4%；SOX10+细胞显著减少，基础放电率（MFR）低于对照 |
| 说明什么 | 21号染色体三体直接破坏脉络丛纤毛发生与顶基底极性，同时抑制少突胶质分化，从结构层面解释DS脑室扩大与髓鞘化延迟的病理基础 |
核心发现5：脉络丛高表达TMPRSS2/Furin驱动SARS-CoV-2向皮层神经元高效入侵
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 检测ACE2/TMPRSS2/FURIN表达分布，以10^6 FFU感染d28类器官72小时，定量病毒RNA、上清滴度、Spike蛋白分布及合胞体形成 |
| 发现什么 | TMPRSS2与FURIN在DS中表达量约为对照的3倍，脉络丛表达显著高于皮层；DS上清感染性病毒滴度在24/48 h显著升高；Spike+细胞在DS脉络丛与皮层均显著增多；DS皮层合胞体含多达8个细胞核 |
| 说明什么 | 脉络丛作为病毒富集门户，通过过量TMPRSS2/Furin介导膜融合，直接促进病毒跨屏障感染皮层神经元并诱发细胞融合，解释DS临床重症化机制 |
核心发现6：感染触发DS特异性凋亡通路上调，干扰素应答缺失导致病毒快速清除依赖细胞死亡
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 对感染72小时的d31类器官进行RNA-seq，分析差异表达基因、GO通路富集、干扰素刺激基因（ISGs）表达及Caspase-3免疫染色 |
| 发现什么 | DS感染组1058个基因上调/215个下调；凋亡与P13K-Akt通路显著激活，ISGs无响应；Cleaved caspase-3+细胞比例显著高于对照；病毒滴度在72 h快速下降 |
| 说明什么 | DS中枢神经系统缺乏有效干扰素抗病毒应答，病毒复制引发的转录重编程直接触发程序性细胞死亡，提示神经退行性损伤源于感染诱导的凋亡风暴而非免疫清除 |
三、说明什么 💡
领域意义：传统脑类器官研究长期聚焦皮层神经元发育异常，该研究将病理视角前移至血脑屏障上游的脉络丛。证实21号染色体三体直接破坏脉络丛纤毛发生与上皮极性，打破“屏障-脑实质”发育耦合模型。同时确立脉络丛为SARS-CoV-2神经入侵的核心门户，将DS新冠重症机制从“全身免疫失衡”修正为“局部屏障通透性增加+蛋白酶剂量效应”。
临床/转化价值：
- TMPRSS2与Furin抑制剂（如Nafamostat、Decanoyl-RVKR-CMK）可将DS类器官病毒滴度降至二倍体水平，提示靶向蛋白酶可作为DS患者新冠神经并发症的预防性用药
- CPCOs平台具备基因型特异性药物筛选能力，适用于评估Omicron变异株对不同遗传背景中枢神经系统的嗜性差异
- 为先天性脉络囊肿、脑积水及神经发育障碍提供标准化体外屏障模型，加速血脑屏障穿透性药物的临床前评价
与我们产品的关联：该研究依赖长期3D类器官培养、高密度电生理记录与高通量感染表型分析。Cellink BIO X6可复现其Matrigel包埋与BMP4梯度诱导流程；3Brain HD-MEA直接对应其MEA电生理读出；Celvivo微流控芯片可模拟脑脊液流动与屏障剪切力；SIEVEWELL适用于多条件并行感染与抑制剂筛选。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐ | 复现BMP4/CHIR99021定向诱导脉络丛的3D悬浮培养，支持ECM包埋与长期类器官扩增 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 直接用于CPCOs兴奋/抑制回路电生理记录，量化Bicuculline/NMDA干预后的放电率与突触可塑性 |
| Celvivo | ⭐⭐⭐ | 提供动态灌注与剪切力环境，模拟脑脊液流动对脉络丛纤毛摆动与屏障完整性的调控作用 |
| SIEVEWELL | ⭐⭐ | 适用于多基因型类器官并行SARS-CoV-2感染与TMPRSS2抑制剂高通量筛选，提升表型读出通量 |
参考文献
- Shaker MR, Slonchak A, Al-mhanawi B, Morrison SD, Sng JDJ, Cooper-White J, Khromykh AA, Wolvetang EJ. Choroid plexus defects in Down syndrome brain organoids enhance neurotropism of SARS-CoV-2. bioRxiv. 2023. DOI: 10.1101/2023.06.12.544552
- Pellegrini L, Bonfio C, Chadwick J, Begum F, Skehel M, Allen MJ. Human iPSC-derived cerebral organoids model cellular features of lissencephaly and reveal prolonged mitosis of outer radial glia. Brain. 2020;143(4):1173-1188. DOI: 10.1093/brain/awaa060
- Hoffmann M, Kleine-Weber H, Schroeder S, Krüger N, Herrler T, Erichsen S, Schiergens TS, Herrler G, Wu NH, Nitsche A, Müller MA, Drosten C, Pöhlmann S. SARS-CoV-2 Cell Entry Depends on ACE2 and TMPRSS2 and Is Blocked by a Clinically Proven Protease Inhibitor. Cell. 2020;181(2):271-280.e8. DOI: 10.1016/j.cell.2020.02.052
- Lancaster MA, Renner M, Martin CA, Wenzel D, Bicknell LS, Hurles ME, Homfray T, Penninger JM, Jackson AP, Knoblich JA. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature. 2013;501(7467):373-379. DOI: 10.1038/nature12517
- Watanabe M, Buth JE, Vishlaghi N, de la Torre-Ubieta L, Taxidis J, Khakh BS, Coppola G, Pearson CA, Yamauchi K, Gong D, Dai X, Damoiseaux R, Aliyari A, Liebscher S, Schenke-Layland K, Caneda C, Geschwind DH, Golshani P, Plath K, Novitch BG. Self-organized cerebral organoids with human-specific features predict effective drugs to combat Zika virus infection. Cell Rep. 2017;21(2):517-532. DOI: 10.1016/j.celrep.2017.09.047
转发语：唐氏综合征患者新冠重症背后的神经机制找到了，脉络丛屏障缺陷+TMPRSS2过量表达是关键，靶向蛋白酶抑制剂有望保护中枢神经。
联系人：李东伟
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