人基底核类器官及其在移植嵌合体中功能性胆碱能投射的建立
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 | Cell Stem Cell 2025 | DOI: 10.1016/j.stem.2025.10.004
标签: #类器官 #Assembloid #胆碱能 #基底核 #皮层投射 #唐氏综合征 #干细胞 #3D培养 #Cellink
一、做什么 🔬
研究背景：Meynert基底核（nbM）是基底前脑主要的胆碱能输出核团，调控皮层活动、学习和记忆。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疾病密切相关。目前缺乏能够准确复制nbM空间组织、细胞多样性和区域间串扰的体外模型。
核心问题：
- 能否从人多能干细胞（hPSC）生成包含功能性胆碱能投射神经元的人nbM类器官（hnbMOs）？
- hnbMOs能否与皮层类器官（hCOs）在体外融合形成功能性胆碱能投射（Assembloid）？
- 移植后的hnbMOs能否在体内重建nbM-皮层胆碱能通路？
- DS来源的Assembloid能否再现nbM投射缺陷？
研究模型：hPSC分化的hnbMOs + hCOs融合Assembloid；免疫缺陷小鼠体内移植模型；DS患者来源iPSC分化模型。
技术路线：
- 3D类器官培养：hPSC诱导分化生成hnbMOs和hCOs
- Assembloid融合：hnbMO与hCO物理融合重建长距离投射
- 活体移植：hnbMOs移植至免疫缺陷小鼠，追踪投射生长
- 病毒示踪：rAAV逆行/顺行示踪验证突触连接
- 电生理/钙成像：验证功能性突触传递和神经网络活性
二、发现什么 📊
核心发现1：从hPSC生成人nbM类器官（hnbMOs）
图1：hPSC经特定因子诱导分化为nbM类器官，包含胆碱能投射神经元。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | hPSC在3D培养中经特定形态发生素诱导，模拟内侧神经节隆起（MGE）发育路径，生成nbM类器官 |
| 发现什么 | hnbMOs表达nbM特异性标记（如ChAT、p75NTR），重现了nbM的核团特异性身份；单细胞RNA-seq确认了胆碱能神经元亚群的存在 |
| 说明什么 | 该分化方案能成功在体外生成具有nbM身份的3D类器官，为后续投射研究奠定基础 |
核心发现2：hnbMOs包含功能性胆碱能投射神经元
图2：hnbMOs中胆碱能神经元的标记物表达、形态学特征和电生理活性。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 免疫荧光、电生理记录（全细胞膜片钳）验证hnbMOs中胆碱能神经元的形态、标记物和功能活性 |
| 发现什么 | hnbMOs中ChAT+神经元具有典型投射神经元形态（长轴突）；电生理记录显示其具备动作电位发放能力和突触后电流 |
| 说明什么 | hnbMOs不仅在分子层面，也在功能层面重现了nbM胆碱能投射神经元的特性 |
核心发现3：体内移植重建nbM-皮层胆碱能通路
图3：hnbMOs移植到免疫缺陷小鼠后，胆碱能轴突向宿主皮层生长，形成投射通路。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 将hnbMOs移植至免疫缺陷小鼠脑内，追踪人类特异性胆碱能轴突（hNCAM/ChAT双标）的生长路径 |
| 发现什么 | 移植后数周，人类胆碱能轴突从hnbMOs向外生长，穿过胼胝体到达宿主皮层，形成类似体内nbM-皮层投射的解剖结构 |
| 说明什么 | hnbMOs具有在体内环境中重建长距离胆碱能投射的能力，验证了其病理和发育研究的体内适用性 |
核心发现4：Assembloid体外重建nbM-皮层连接
图4：hnbMOs与hCOs物理融合形成Assembloid，胆碱能轴突从nbM向皮层区域生长。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | hnbMOs与hCOs在体外物理融合培养，观察轴突跨越融合界面的生长情况 |
| 发现什么 | 融合后，hnbMOs中的胆碱能轴突跨越界面进入hCO区域，形成类似体内的nbM-皮层投射结构；免疫荧光显示ChAT+轴突在hCO内广泛分支 |
| 说明什么 | Assembloid技术成功在体外重建了nbM-皮层长距离胆碱能投射，为研究神经环路提供了可控的体外平台 |
核心发现5：功能性突触连接的验证
图5：病毒示踪和电生理验证hnbMOs与hCOs之间的功能性突触连接。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 使用rAAV逆行/顺行病毒示踪（如rAAV2-retro、HSV）追踪神经元连接；全细胞膜片钳记录突触后电流；钙成像监测网络活性 |
| 发现什么 | 病毒示踪显示hnbMOs胆碱能神经元与hCOs皮层神经元之间存在双向连接；电生理记录证实了功能性突触传递（胆碱能EPSCs）；钙成像显示两个区域间的同步活动 |
| 说明什么 | Assembloid不仅建立了结构连接，还形成了功能性突触传递——这是一个真正的功能性神经环路模型 |
核心发现6：唐氏综合征Assembloid再现投射缺陷
图6：DS患者iPSC来源的hnbMOs与hCOs融合的Assembloid显示胆碱能投射缺陷。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 用DS患者iPSC分化hnbMOs和hCOs，构建DS来源Assembloid，比较与正常对照的投射差异 |
| 发现什么 | DS来源Assembloid中胆碱能轴突生长显著减少，投射密度降低，突触连接数量下降；转录组分析揭示了与投射缺陷相关的差异表达基因 |
| 说明什么 | DS特异性Assembloid成功再现了nbM-皮层投射缺陷，证明了该模型在神经发育疾病研究中的实用价值 |
三、说明什么 💡
类器官技术的重大突破：这篇论文首次在体外重建了nbM-皮层胆碱能投射这一关键神经环路，结合了类器官、Assembloid融合、体内移植和病毒示踪等多种前沿技术。
临床转化价值：
- AD/DS研究模型：nbM退化是AD的核心病理特征之一，DS患者也表现出类似的胆碱能缺陷。该Assembloid模型为研究这两种疾病提供了前所未有的工具。
- 细胞治疗潜力：移植实验证明hnbMOs能在体内存活并重建投射，这为AD等胆碱能缺失疾病的细胞替代治疗提供了概念验证。
- 药物筛选平台：Assembloid的高通量潜力使其成为筛选促进胆碱能神经再生或保护药物的理想平台。
与我们产品的关联：
- Cellink 3D生物打印机：可用于精确打印Assembloid结构（如hnbMOs和hCOs的空间定位），提高融合效率和重复性。
- 3Brain HD-MEA：可用于Assembloid的高密度电生理记录，监测胆碱能投射形成过程中的网络同步性和突触活性。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐ | 可用于打印Assembloid的支撑结构或直接打印hnbMOs/hCOs融合体，提高空间精度和重复性 |
| Cellink 类器官培养基/试剂盒 | ⭐⭐⭐ | nbM类器官的分化需要特定的3D培养条件，Cellink的相关产品可提供支持 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐⭐⭐⭐ | 用于Assembloid的高密度电生理记录，监测胆碱能投射形成的网络同步性、突触传递和钙成像 |
| 3Brain CMOS-MEA | ⭐⭐⭐⭐ | 252/4096通道MEA可同时记录hnbMOs和hCOs的活动，追踪跨区域信号传播 |
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
- Maroof AM, et al. Directed differentiation of human pluripotent stem cells to basal forebrain cholinergic neurons. Nat Protoc. 2013.
- Liu Y, et al. Assembloids for modeling human brain development and disease. Cell. 2023.
转发语：Cell Stem Cell重磅！南京医科大学团队首次用类器官Assembloid在体外重建了nbM-皮层胆碱能投射——阿尔茨海默病和唐氏综合征研究迎来全新模型 🧠⚡
联系人：李东伟
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