图1. 人类少突胶质细胞。A. 少突胶质细胞对神经元轴突的髓鞘形成示意图。B-D. 培养皿中生长的少突胶质细胞（细胞培养）。E,F. 少突胶质细胞兴奋性毒性。G. 过氧亚硝酸盐（ONOO⁻）形成及蛋白质损伤。H. 谷喹啉酸（QA）引起的少突胶质细胞兴奋性毒性导致α-突触核蛋白的有毒形式形成，包括单体（箭头）和寡聚体。Ponceau染色显示各泳道蛋白质上样量相等。
本文讨论了李·J·马丁博士及其团队关于缺氧缺血性脑病（HIE）的研究，HIE是新生儿死亡的主要原因。他们使用人类诱导多能干细胞（iPSCs）和神经干细胞（NSCs），强调了少突胶质细胞的脆弱性，并分享了这些细胞如何积累有毒错误折叠蛋白，可能导致受影响婴儿出现严重的神经损伤和长期认知障碍。
缺氧缺血性脑病（HIE）是婴儿死亡率和发病率的重要原因。分娩窒息每年在全球导致近一百万新生儿死亡。HIE婴儿的治疗选择非常有限。轻度低温疗法（HT）可降低死亡或残疾风险。它是西方国家足月妊娠HIE的临床护理标准，但约50%接受HT治疗的婴儿死亡或遭受持续性甚至终身的神经和认知障碍。在HIE中，大脑中的特定神经系统和细胞群表现出选择性脆弱性。
少突胶质细胞的特性
约翰斯·霍普金斯大学医学院的李·J·马丁博士及其研究团队已研究新生儿HIE数十年。其中一类脆弱细胞称为少突胶质细胞（图1A）。它们富集于白质中，但也存在于灰质。少突胶质细胞在大脑中具有多种功能，主要功能之一是轴突髓鞘形成（图1A）。轴突将神经元连接在中枢神经系统（CNS）内，并与外周神经系统中的器官和骨骼肌相连。
少突胶质细胞为中枢神经系统的轴突形成髓鞘（图1A），使其能够调节电学特性并维持生长因子支持。缺乏适当髓鞘的轴突无法正确传导电信号，可能导致退化。轴突传播的信号称为动作电位。在某些新生儿脑损伤的实验动物模型中，可通过脑部MRI检测到大脑中少突胶质细胞和白质的损伤。这些损伤可能部分导致HIE婴儿幸存者出现的神经网络损伤和终身神经后果。
有毒构象蛋白（TCPs）
马丁团队最近的一项研究（Martin et al., 2025）发现，在死于HIE的婴儿尸检脑组织和新生儿猪HIE模型中，少突胶质细胞可积累异常蛋白质。这些蛋白质发生错误折叠、聚集，或在酪氨酸氨基酸残基上被过氧亚硝酸盐（ONOO⁻）——一种由超氧阴离子（O₂•）和一氧化氮（NO）结合形成的破坏性自由基——有害修饰（3-硝基酪氨酸）（图1G）。其中多种异常蛋白质被认为具有毒性，因此被称为有毒构象蛋白（TCPs）。部分TCPs因导致帕金森病、路易体痴呆、肌萎缩侧索硬化症（ALS）甚至克雅氏病而臭名昭著，因为它们可杀死包括少突胶质细胞在内的神经细胞。我们在新生儿HIE脑组织中的这一发现令人惊讶且新颖，证明TCPs可快速形成，与实际年龄无关，且无需已知的基因突变。
图2. 人类神经元。A. 培养皿中生长的未分化神经球（箭头）。B. 分化的皮质神经元，呈锥体样（箭头）和中间神经元样（虚线箭头）神经元。C. 微管相关蛋白-2（MAP2）将这些细胞鉴定为神经元，显示其胞体（实心箭头）、轴突（虚线箭头）和树突（空心虚线箭头）。D. 谷喹啉酸（QA）引起的神经元兴奋性毒性导致聚集型α-突触核蛋白（左）形成有毒形式，包括单体（箭头）和寡聚体（括号），以及硝基化突触核蛋白（右）的单体（箭头）和寡聚体（括号）。凝胶电泳显示各泳道蛋白质上样量相等。
研究TCPs形成的挑战
这一新观察结果在实验上具有挑战性。虽然我们在人类脑临床标本中发现了重要证据，但很难解决这些尸检标本中TCPs如何形成的问题，因为它们仅提供病理过程的静态信息，而该过程的起始时间不确定。我们的新生儿猪HIE模型（Martin et al., 2025）将对后续实验极具价值。然而，由于资源和专业人员需求，加之美国农业部和机构动物使用与护理委员会对使用新生猪的严格监管，这些实验成本极高，并涉及伦理和社会问题。此外，动物模型在细胞和分子层面上可能无法准确反映人类损伤或疾病状态（Martin & Zhiping, 2004），这使疾病靶点发现和治疗开发变得困难。研究表明，人类神经元与小鼠神经元的DNA损伤应答（DDR）、DNA修复和细胞死亡机制存在差异（Martin & Chang, 2018）。人类神经细胞独特的损伤应答、DDR、蛋白酶体调控和细胞死亡机制，代表了实验神经病理学和人类中枢神经系统损伤与疾病建模的范式转变。我们的解决方案是使用人类诱导多能干细胞（iPSCs）和神经前体细胞（NPCs）。
利用iPSC和NPC衍生的少突胶质细胞测试TCP形成
我们使用人类iPSC或NPC衍生的少突胶质细胞（图1）和神经元（图2），直接验证人类新生儿、未成熟或发育中大脑的细胞损伤可导致TCP形成的假设。iPSCs是一类起源于成体细胞（如皮肤成纤维细胞或外周血单个核细胞）的细胞，通过基因组整合或非整合方法，或直接蛋白质转移，在培养皿中利用特定基因（Oct4、Sox2、Nanog和Lin28）进行基因重编程。其定义性特征是iPSCs能生成三个主要胚层（外胚层、中胚层和内胚层），如同胚胎干细胞，但并非源自人类胚胎。NPCs可源自胚胎神经干细胞。
人类iPSC衍生的少突胶质细胞在活细胞培养中观察其未成熟（图1B）和成熟（图1C）分化阶段的生长过程十分引人入胜。可通过2',3'-环核苷酸3'-磷酸二酯酶（CNPase）等标志物验证其成熟少突胶质细胞身份；该酶在髓鞘形成细胞中含量丰富（图1D）。当人类少突胶质细胞经化学物质谷喹啉酸（QA）处理后——该物质模拟新生儿HIE的病理机制（即谷氨酸受体兴奋性毒性）——它们形成病理性变性空泡（图1F，箭头），而对照溶液处理的类似细胞中不存在此现象（图1E）。它们形成一种称为硝基化α-突触核蛋白的TCP（图1H），在对照处理的少突胶质细胞中仅少量存在。硝基化突触核蛋白是一种异常突触蛋白，已知可导致某些神经退行性疾病。
人类神经元退化
人类iPSC或NPC生成的神经元在未成熟发育阶段的活细胞培养中同样引人入胜。它们形成称为神经球的三维结构（图2A）。随着神经元成熟，神经球可分散并形成类似大脑皮层的神经元，分化出复杂的胞体和精细突起，表现为大型锥体样神经元（图2B，实心箭头）或弓形或枝形细胞等中间神经元（图2B，虚线箭头）。可通过微管相关蛋白-2（MAP2）等标志物验证其神经元身份。这种细胞骨架蛋白在神经元中含量丰富，可见于其胞体（图2C，实心箭头）、树突（图2C，粗虚线箭头）和轴突（图2C，细虚线箭头）。当人类神经元经QA处理后，它们表现出强烈的退行性反应，特征是形成高水平的强效TCP——聚集型α-突触核蛋白（图2D左）和硝基化αSyn（图2D右）。对照处理的神经元含量极低。
αSyn在硝基化或聚集时变为病理状态；此外，某些异常形式的α-突触核蛋白可在少突胶质细胞和神经元中引发类朊病毒扩散和疾病。我们发现，人类少突胶质细胞和神经元在兴奋性毒性作用下迅速形成类朊病毒形式的α-突触核蛋白。新生儿HIE的临床和动物研究表明，存在选择性持续的全脑网络退化。积累这些异常蛋白的神经元、突触和少突胶质细胞，可能是新生儿大脑连接组扩散和持续损伤的原因，造成终身后果。
参考文献
- Martin LJ 等。低温治疗对新生儿人类缺氧缺血性脑病神经退行性表型的影响：与有毒构象蛋白和固有无序朊病毒样蛋白积累的可能关系。Cells. 2025年4月12日;14(8):586。PMID: 40277911; PMCID: PMC12025496。
- Martin LJ, Chang Q。人类神经元与实验动物神经元的DNA损伤应答与修复、DNA甲基化及细胞死亡机制差异。J Neuropathol Exp Neurol. 2018年7月1日;77(7):636-655。PMID: 29788379; PMCID: PMC6005106。
- Martin LJ, Zhiping Liu。基于细胞死亡机制原理的ALS神经保护机遇。Drug Discovery Today: Disease Models. 第1卷，第2期，2004年。
本工作得到美国公共卫生服务、美国国立卫生研究院国家神经疾病和中风研究所（NS034100、NS065895、NS052098、NS079348）和国家衰老研究所（AG016282）资助。
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