人类基底核类器官：功能性胆碱能投射重建
Cell Stem Cell 发表的突破性研究，首次从人多能干细胞生成人类 nbM 类器官，并成功重建 nbM-皮层胆碱能投射通路。
Graphical Abstract：人类 nbM 类器官生成与 nbM-皮层组装体移植
一、研究背景
1.1 迈内特基底核（nbM）的重要性
迈内特基底核（nucleus basalis of Meynert, nbM）是基底前脑的主要胆碱能输出核团，负责调控皮层功能、学习和记忆。
临床意义：
- nbM-皮层胆碱能通路功能障碍与**阿尔茨海默病（AD）和唐氏综合征（DS）**等神经退行性和神经发育障碍密切相关
- nbM 胆碱能神经元的退化是 AD 早期病理特征之一
- 缺乏有效的人类 nbM 体外模型来研究这些疾病机制
1.2 研究突破
本研究首次实现了：
- 从人多能干细胞（hPSCs）生成含有功能性胆碱能投射神经元（CHNs）的人类 nbM 类器官（hnbMOs）
- 将 hnbMOs 与人类皮层类器官（hCOs）融合形成 nbM-皮层组装体
- 验证 CHNs 向皮层投射并形成功能性连接
- 开发创新的双重移植策略，在小鼠体内建立完整的人类胆碱能投射系统
- 发现唐氏综合征 iPSC 衍生组装体中 CHN 投射的缺陷
二、人类 nbM 类器官的生成
hnbMOs 中 CHNs 的形态和功能成熟
2.1 分化方案
从 hPSCs 生成 hnbMOs 的关键步骤：
- 胚胎体（EB）形成
- 神经上皮（NE）诱导：第 10 天
- 腹侧化：高浓度 Sonic Hedgehog（SHH, 750 ng/mL）+ SHH 通路激动剂 purmorphamine（Pur）
- 促进 MGE（内侧隆起）祖细胞生成
- NKX2.1 表达率达 92.72%
- 胆碱能神经元分化：添加神经生长因子（NGF）
- CHAT 在 NEUN+ 细胞中表达率达 38.13%
- 成熟培养：第 63-120 天
2.2 细胞组成验证
- 前脑标志物：FOXG1（92%）
- 神经元标志物：TUJ1
- 胆碱能标志物：CHAT、VACHT
- MGE 祖细胞标志物：NKX2.1
2.3 单细胞 RNA 测序分析
scRNA-seq 揭示 hnbMOs 包含多种细胞类型：
- 胆碱能神经元（CHNs）
- GABA 能中间神经元
- 星形胶质细胞
- 少突胶质细胞前体
VoxHunt 映射显示 hnbMOs 细胞簇与 E13 小鼠脑（Allen Brain Atlas）的 nbM 区域高度匹配。
三、功能性验证
3.1 形态学成熟
- CHNs 展现典型的投射神经元形态
- 具有长轴突和树突棘（第 100 天）
- CHAT-tdTomato 报告细胞系验证 90% mCherry+ 细胞为 CHAT+ CHNs
3.2 电生理活性
- 全细胞膜片钳记录检测到去极化诱发的钠电流和钾电流
- 诱发动作电位和自发动作电位
- 确认 hnbMOs 具有电生理活性
3.3 乙酰胆碱释放
- 使用 ACh 生物传感器（ACh3.0）进行活细胞成像
- KCl 刺激后 GFP 信号强度显著增加
- 证明 hnbMOs 具有功能性 ACh 释放能力
3.4 神经网络同步
- 钙成像（GCaMP6s）显示多个同步自发性钙事件（第 80 天）
- 高密度 3D 微电极阵列（HD-MEA）记录检测到自发尖峰和网络级同步（第 120 天）
四、nbM-皮层组装体
nbM-皮层组装体的形成与功能性连接
4.1 组装体构建
将 hnbMOs 与人类皮层类器官（hCOs）融合：
- 形成 nbM-皮层组装体
- CHNs 向 hCOs 投射长距离轴突
- 建立功能性突触连接
4.2 投射验证
- CHAT+ 轴突从 nbM 区域延伸至皮层区域
- 突触后标志物（PSD95）在皮层区域检测到
- 光遗传学刺激 nbM CHNs 可在皮层神经元中诱发突触后电流
4.3 体内双重移植
创新策略：将对应类器官分别移植到小鼠的皮层和 nbM 区域
- 移植后 8 周：人类 CHNs 轴突从小鼠 nbM 区域延伸至皮层区域
- 功能性验证：光遗传学刺激移植的 CHNs 可在小鼠皮层中记录到突触后反应
- 意义：首次在活体内重建完整的人类胆碱能投射系统
五、唐氏综合征模型
唐氏综合征组装体中 CHN 投射缺陷
5.1 DS 类器官生成
- 使用唐氏综合征患者 iPSCs 生成 DS-hnbMOs 和 DS-hCOs
- 形成 DS nbM-皮层组装体
5.2 关键发现
- DS 组装体中 CHNs 的投射能力显著降低
- 轴突生长和分支减少
- 突触形成减少
- 揭示了 DS 中 nbM-皮层通路功能障碍的细胞机制
六、研究意义
研究的技术路线和应用前景
6.1 科学贡献
- 首个人类 nbM 类器官模型
- 首次在体外重建 nbM-皮层胆碱能投射
- 首次在活体内建立完整的人类胆碱能投射系统
- 为研究 nbM 相关神经疾病提供新平台
6.2 临床意义
- 阿尔茨海默病：nbM 胆碱能神经元退化是 AD 早期标志
- 唐氏综合征：nbM-皮层通路缺陷与认知障碍相关
- 药物筛选：组装体可用于测试促进胆碱能投射的治疗策略
- 细胞治疗：为 nbM 退行性疾病的细胞替代治疗奠定基础
七、技术亮点
| 技术 | 应用 |
|---|---|
| scRNA-seq | 细胞类型鉴定和图谱映射 |
| HD-MEA | 3D 网络电生理记录 |
| 光遗传学 | 投射通路功能验证 |
| ACh 生物传感器 | 神经递质释放检测 |
| 双重移植 | 体内投射系统重建 |
| 钙成像 | 神经网络同步监测 |
八、与我们的关联
作为生命科学仪器和耗材供应商，该研究涉及以下设备和技术：
- 类器官培养：3D 培养板、基质胶、培养基添加剂（SHH、NGF、Pur）
- 成像设备：共聚焦显微镜、活细胞成像系统、钙成像设备
- 电生理：膜片钳系统、微电极阵列（MEA/HD-MEA）
- 光遗传学：光刺激系统、光敏蛋白试剂
- 单细胞测序：10x Genomics 平台、建库试剂
- 动物实验：立体定位注射系统、小动物成像
原文下载
📄 nucleus-basalis-organoids-cell-stem-cell-2025.pdf
文献信息
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 标题 | Generation of human nucleus basalis organoids with functional nbM-cortical cholinergic projections in transplanted assembloids |
| 期刊 | Cell Stem Cell |
| 卷期 | Vol. 32, 2025 |
| DOI | 10.1016/j.stem.2025.10.004 |
| 发表日期 | 2025 年 12 月 4 日 |
| 作者 | Da Wang, Xinyue Zhang, Xiao-Yan Tang, Yixia Gan, Hanwen Yu, Shanshan Wu, Yuan Hong, Mengdan Tao, Chu Chu, Xiaoxuan Qi, Hao Hu, Yimin Zhu, Wanying Zhu, Xiao Han, Min Xu, Yi Dong, Qing Cheng, Xing Guo, Yan Liu |
| 机构 | 南京医科大学药学院、南京医科大学、华东师范大学、南京市妇幼保健院 |
联系人｜李东伟
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