最近发表在《科学》杂志上的一项研究报道了一种新的阿尔茨海默病（AD）体外模型系统，该系统基于从对照组和AD患者的人类成纤维细胞中直接进行神经元重编程，成功复制了该疾病的多个特征。因此，该模型进一步推进了AD的体外建模，不仅能够研究其背后的分子机制，还可以进行高通量筛选，以识别潜在的治疗药物。
AD是最常见的痴呆症原因，是一种以渐进性记忆丧失和思维障碍为特征的神经退行性疾病。这些症状的进一步恶化通常会导致行为和社会能力的丧失。AD患者的死后脑组织分析显示，细胞外淀粉样蛋白β（Aβ）斑块积累、不可溶tau蛋白形成（含有3R-和4R-tau异构体的混合物）、神经突变性和不可逆的神经元损失。多年来，已经确定了几个具有常染色体显性的AD致病基因（ADAD），但它们仅代表1%到2%的AD病例。与AD相关的风险因素中，衰老无疑是最相关的：大多数AD病例发生在65岁以后，因此被称为晚发型AD（LOAD），而早发型AD（EOAD）仅占AD患者的5%。因此，开发可靠的AD模型系统应考虑年龄这一关键参数。尽管已经开发了不同的动物模型来模拟ADAD，但由于寿命差异，它们无法模拟LOAD；同样，iPSC衍生的AD神经元也无法模拟衰老，因为iPSC的生成会将供体细胞的年龄特征重置为胚胎年龄。
直接神经元重编程是一种有前途的方法，可以通过强制表达重编程因子将已分化的非神经元细胞类型转化为神经元。值得注意的是，直接神经元重编程不会擦除衰老特征：因此，诱导神经元（iNs）保留了目标细胞的年龄。然而，当AD患者的成纤维细胞通过强制共表达Ngn2和Ascl1在2D培养中重编程时，生成的iNs表现出与年龄相关的失调，但没有AD特征，这表明培养系统或重编程因子不足以模拟AD病理。
Sun及其同事在此基础上开发了一种新的体外模型系统，主要区别在于重编程鸡尾酒和培养条件。事实上，他们在人类成纤维细胞中表达了miRNA124/miR-9/9*与NEUROD2和MYT1L，以生成皮层iNs，并将细胞嵌入低密度薄凝胶（15% Matrigel，3D-CNs）或高密度球状体中。经过2到3周的重编程后，成纤维细胞高效转化为皮层iNs，通过免疫荧光分析和RNA测序得到证实。最重要的是，该协议在ADAD（PSEN1或APP突变；4条线）、LOAD（6条线）患者的成纤维细胞和17个年龄和性别匹配的健康对照组中均成功测试，从而可以研究分子机制、起始细胞年龄的影响以及ADAD和LOAD iNs之间的差异。
首先，作者评估了ADAD-iNs中是否存在AD特征，如细胞外Aβ斑块沉积、磷酸化tau、K63-泛素以及3R-和4R-tau异构体的共同表达，并将其与健康对照组进行了比较。令人惊讶的是，无论是3D-CNs还是球状体培养的ADAD-iNs，都显示出所有这些AD迹象。此外，早期和长时间使用β-或γ-分泌酶抑制剂可以减少Aβ沉积，从而证明了成功建模治疗的可能性。ADAD-iNs还含有种子能力的tau，通过FRET分析得到验证。此外，它们在转录上与健康对照组不同，表达更高水平的与AD风险增加相关的基因，如MMP3、IBSP和TAGLN4。重要的是，3D-CNs ADAD-iNs随时间表现出神经突变性和细胞死亡，从而重现了神经退行性变。
然后，作者检查了这些表型是否也可以在LOAD样本中检测到。确实，3D-CNs或球状体LOAD-iNs显示出Aβ斑块沉积、tau病理、突触形成受损、神经突变性和随时间的细胞死亡。同样，LOAD-iNs的转录组与对照组不同，突出了金属蛋白酶和与炎症反应相关基因的高表达。与已发表的AD个体死后前额叶皮质数据集的比较揭示了LOAD-iNs中升高的多个基因，这些基因与衰老、炎症反应和凋亡有关，进一步支持了体外模型的可靠性（图1）。
图1 Sun等人的研究发现图形总结：通过直接神经元转化从健康供体或患有ADAD或LOAD的患者的成纤维细胞生成的皮层样神经元，显示出患者中观察到的关键AD特征。该图由BioRender.com和Adobe Illustrator CS6创建
由于tau病变最近与逆转座子元件（RTE）的失调相关，作者评估了RTE表达，并发现其增加与年龄而非病理相关。早期使用逆转录酶抑制剂拉米夫定（3TC）治疗显著减少了单链DNA（ssDNA）的存在，这是逆转座过程中的中间产物，用作RTE合成的指示器，同时减少了神经元死亡和Aβ形成。这与减少的DNA损伤和与免疫和炎症反应相关基因表达的增加有关，可能表明拉米夫定通过调节RTE介导的神经炎症抑制LOAD-iNs中的神经退行性变。值得注意的是，类似的治疗在ADAD-iNs中没有效果，突显了两种类型AD群体之间的差异。
作者还检查了Aβ沉积与神经退行性变之间的关系，通过在LOAD-iNs中使用γ-分泌酶抑制剂进行治疗。有趣的是，在Aβ沉积开始时（诱导后16天，PID）而不是较晚的时间点（PID22）进行治疗，显著减少了Aβ斑块形成，降低了磷酸化tau和神经元死亡，从而表明γ-分泌酶抑制在Aβ斑块形成后无法有效减少或延迟表型。
Sun及其同事的工作代表了复杂脑部疾病如AD的体外培养作为疾病建模系统的重大进展。尽管观察时间有限（30 PID），但该模型提供了一个强大的平台，用于探索不同临床类别（遗传性、早发型或晚发型）的AD病理生理学，并在未来研究其他细胞类型（如星形胶质细胞、少突胶质细胞和小胶质细胞）在AD相关退行性变中的作用。另一方面，开发96孔板平台增强了该模型的可扩展性，使其成为高通量筛选的宝贵工具，旨在识别能够预防早期Aβ沉积或更关键地阻止tau病理进一步传播的小分子或基因。
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