唐氏综合征脑类器官中的脉络丛缺陷增强 SARS-CoV-2 的神经嗜性

期刊: bioRxiv (预印本), 2023
DOI: 10.1101/2023.06.12.544552
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作者: Mohamed R. Shakir, Andrii Slonchak, Baha Almuhannawi, Sean D. Morrison, Julian D. J. Sengupta, Justin Cooper-White, Alexander A. Khromykh, Ernst J. Wolvetang

机构: 澳大利亚昆士兰大学生物工程与纳米技术研究所, 昆士兰大学干细胞工程与再生工程中心

核心科学问题

唐氏综合征（DS，21 三体）患者为何对 SARS-CoV-2 诱导的神经病理学特别易感？脉络丛（choroid plexus）在这一过程中发挥什么作用？

关键背景：

DS 患者感染 SARS-CoV-2 后住院风险增加 4 倍、死亡风险升高 10 倍
脉络丛表达 ACE2 受体和位于 21 号染色体的 TMPRSS2 蛋白酶
DS 患者 TMPRSS2 基因剂量增加可能促进病毒感染

技术创新

CPCO 模型（脉络丛-皮层类器官）

hNEct 细胞（人神经外胚层细胞）→ 3D 聚集体 → BMP4 + CHIR99021 处理
形成完整脉络丛上皮层包裹皮质神经元细胞
脉络丛表达 TTR、LMX1A、ZO1、AQP1、KLOTHO 等成熟标志物
类器官尺寸：最终直径 1.9 mm，可长期存活（>8 个月）

表征方法

单细胞 RNA-seq：细胞类型鉴定
透射电镜：紧密连接和线粒体超微结构
高密度 MEA：电生理活动记录（3Brain 或类似系统）
SARS-CoV-2 感染：病毒滴度测定、空间分布分析
多重 ELISA：CPCOs 分泌组分析

实验数据

1. CPCO 生成与特征鉴定

Figure 1: CPCO 生成方案与特征
图 1：hNEct 细胞 → BMP4 + CHIR99021 处理 → 脉络丛包裹型脑类器官 | 第 28 天形成完整脉络丛上皮层 | 表达 TTR、LMX1A、ZO1 等脉络丛标志物

hNEct 细胞经 SMAD 抑制（SB + LDN）3 天生成
BMP4（2.5 ng/mL）+ CHIR99021 处理促进脉络丛形成
第 28 天：薄层脉络丛上皮层
第 56 天：多层脉络丛结构
类器官直径：1.9 mm（第 56-120 天）
长期存活：>8 个月无明显退化

2. 脉络丛渐进性成熟

Figure 2: 脉络丛成熟特征
图 2：紧密连接（ZO1）、线粒体丰度、纤毛发生（ARL13B+）、脑脊液分泌 | 纤毛长度从第 14 天 0.7 μm 增至第 56 天 3 μm | 多纤毛细胞从第 14 天~50% 增至第 56 天 95.4%

上皮极性建立：ZO1（顶端）与层粘连蛋白（基底）正确分离
紧密连接形成：CLDN11、CLDN12 逐渐增加
线粒体丰度：透射电镜显示大量线粒体聚集
纤毛发生：
- 第 14 天：单纤毛和多纤毛细胞各~50%
- 第 21 天：多纤毛~66%
- 第 28 天：多纤毛~82%
- 第 56 天：多纤毛~95.4%
- 纤毛长度：0.7 μm（第 14 天）→ 3 μm（第 56 天）
脑脊液分泌：AQP1 正确顶端定位，CST3 和 B2M 分泌增加

3. 皮层神经元特化与电生理

Figure 3: 皮层神经元特化与网络活动
图 3：皮层层特化（TBR1+、CTIP2+、SATB2+、CUX1/2+） | 星形胶质细胞（GFAP+）第 56 天出现 | 少突胶质细胞（PDGFRA+、CNPase+） | MEA 记录显示自发电活动从第 28 天开始

皮层层特化：
- 第 28 天：TBR1+（层 VI）、CTIP2+（层 V）
- 第 56 天：SATB2+（层 IV）、CUX1/2+（层 II/III）
胶质细胞：
- 第 56 天：GFAP+ 星形胶质细胞
- 第 56 天：PDGFRA+、CNPase+ 少突胶质细胞
- 第 150 天：MBP+ 髓鞘形成
突触形成：SYT1（突触前）与 HOMER1（突触后）并列定位
MEA 电生理：
- 第 28 天：可检测自发电活动
- 第 56 天：放电频率显著提升（GFAP+ 细胞出现时）
- 荷包牡丹碱（GABA 拮抗剂）处理：放电频率显著上升
- 谷氨酸 + NMDA 处理：放电频率显著提升

4. 唐氏综合征 CPCO 重现 DS 脑病理

Figure 4: DS CPCO 病理特征
图 4：DS CPCO 纤毛发生缺陷（单纤毛为主） | 顶端-基底极性紊乱（ZO1 与β-catenin 共定位 75% vs 二倍体 14%） | 少突胶质前体细胞减少（SOX10+ 细胞显著减少） | 兴奋性神经元比例降低

纤毛发生缺陷：
- DS CPCO 中 CP 细胞主要为单纤毛细胞
- 有纤毛 CP 细胞数量显著少于二倍体
极性紊乱：
- 二倍体：ZO1 与β-catenin 重叠 14%（EU79）和 9.4%（G22）
- DS：ZO1 与β-catenin 重叠 75%（DS18）和 44.7%（G21）
神经元失衡：
- 抑制性神经元基因（GAD1、ABAT）上调
- 兴奋性神经元标记（TUBB3、TH、SLC17A6）下调
- DS CPCO 放电频率显著低于二倍体
少突胶质细胞减少：
- SOX10+ 细胞显著减少
- OLIG2 mRNA 和蛋白表达降低
中间神经元紊乱：与既往研究一致

5. SARS-CoV-2 有效感染 DS CPCOs

Figure 5: SARS-CoV-2 感染 CPCOs
图 5：DS CPCOs 病毒基因表达显著高于二倍体 | DS 脉络丛和皮层中 SARS-CoV-2 刺突蛋白阳性细胞更多 | 皮质神经元被感染并出现核碎裂 | DS 样本中合胞体形成显著增加

病毒受体表达：
- ACE2：DS 与二倍体表达相当
- TMPRSS2（HSA21 基因）：DS 表达显著高于二倍体（3 倍）
- FURIN：DS 表达比二倍体高 3 倍
感染效率：
- DS CPCOs 病毒基因表达量显著高于二倍体
- DS 组 24 和 48 小时感染性病毒滴度显著更高
- DS 脉络丛和皮层中刺突蛋白阳性细胞更多
神经元感染与死亡：
- 皮质神经元被 SARS-CoV-2 感染
- 感染神经元出现核碎裂（细胞死亡）
合胞体形成：
- DS 样本合胞体数量显著增加
- 单个感染 DS 皮质细胞内多达 8 个细胞核

6. DS CPCOs 感染后的转录失调

Figure 6: 感染后转录组分析
图 6：DS CPCOs 病毒 RNA 载量显著高于二倍体 | 感染引发大规模转录失调（DS：1058 个上调/215 个下调基因） | 促凋亡通路激活 | 缺乏活跃的 IFN 反应

病毒复制：
- DS CPCOs 病毒 RNA 载量显著高于二倍体
- 亚基因组 RNA 检测到，证实活性病毒复制
转录失调：
- DS 感染 vs 未感染：1058 个上调/215 个下调基因
- 二倍体感染 vs 未感染：1118 个上调/758 个下调基因
通路分析：
- DS 增强：细胞增殖负调控、凋亡正调控、细胞周期阻滞、PI3K-Akt 通路
- 缺乏 IFN 反应激活：ISGs 表达无差异
- 促凋亡基因表达改变
细胞死亡：
- DS CPCOs 感染后 cleaved caspase-3+ 细胞显著增加
- 与 DS 大脑神经退行变性相关

7. TMPRSS2 抑制剂减少病毒感染

Figure 7: 药物筛选验证
图 7：TMPRSS2 抑制剂（阿韦司他、卡莫司他、奈莫司他）显著降低 DS CPCOs 病毒滴度 | 弗林蛋白酶抑制剂 Decanoyl-RVKR-CMK 降低 10 倍但未完全清除 | 瑞德西韦完全清除病毒 | 那法莫司他和瑞德西韦完全抑制奥密克戎 BA.5

TMPRSS2 抑制剂：
- 阿韦司他、卡莫司他、奈莫司他均显著降低 DS CPCOs 病毒滴度至二倍体水平
- 奈莫司他效果最强：48 小时完全清除传染性病毒
弗林蛋白酶抑制剂：
- Decanoyl-RVKR-CMK：24 和 48 小时降低 10 倍，但未完全清除
- 瑞德西韦（FDA 批准）：完全清除病毒
奥密克戎 BA.5：
- 那法莫司他和瑞德西韦完全抑制病毒复制
- 弗林抑制剂显著降低但未完全清除

核心发现

发现	数据支持
CPCOs 重现脉络丛成熟过程	纤毛长度 0.7→3 μm，多纤毛细胞 50%→95.4%
DS CPCOs 重现 DS 脑病理	纤毛缺陷、极性紊乱（75% vs 14%）、少突胶质细胞减少
DS CPCOs 对 SARS-CoV-2 更易感	病毒滴度显著更高，TMPRSS2 表达 3 倍增加
脉络丛促进病毒神经侵袭	CPCOs 比"裸露"类器官感染效率高得多
TMPRSS2 抑制剂可挽救	奈莫司他完全清除 DS CPCOs 中病毒

创新点

首个脉络丛-皮层类器官（CPCO）模型 — 重现脉络丛成熟全过程
揭示 DS 脉络丛纤毛发生和极性缺陷 — 新机制
证明脉络丛促进 SARS-CoV-2 神经侵袭 — 解释 DS 患者易感性
TMPRSS2 基因剂量效应 — DS 中 TMPRSS2 表达 3 倍增加促进感染
药物筛选验证 — CPCOs 作为疾病模型筛选抗 SARS-CoV-2 神经病理药物

局限性

预印本（bioRxiv），尚未经同行评审
仅使用 SARS-CoV-2 原始株和奥密克戎 BA.5
未进行体内验证

学术启示

本研究揭示了脉络丛在 SARS-CoV-2 神经侵袭中的关键作用，为理解 DS 患者 COVID-19 易感性提供了新机制。

与产品的关联：

3Brain HD-MEA：用于 CPCOs 电生理表征，记录自发电活动和网络同步性
Celvivo 3D 培养系统：适用于 CPCOs 长期动态成像和培养
类器官感染模型：CPCOs 为病毒神经嗜性研究提供了理想的体外平台
药物筛选：CPCOs 可用于筛选抗 SARS-CoV-2 神经病理药物

📢 一句话转发语：昆士兰大学团队开发首个脉络丛 - 皮层类器官（CPCO）模型——揭示 DS 脉络丛纤毛缺陷和 TMPRSS2 基因剂量增加增强 SARS-CoV-2 神经嗜性的新机制，TMPRSS2 抑制剂可完全清除病毒。

联系人｜李东伟
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