干货|一文汇总基于hPSCs的神经退行性疾病模型

干货|一文汇总基于hPSCs的神经退行性疾病模型

神经退行性疾病（Neurodegenerative Diseases, NDDs）是一类以中枢神经系统（Central Nervous System，CNS）或者周围神经系统（Peripheral nervous system，PNS）的神经元在结构和功能上发生进行性、不可逆损伤或丧失为核心特征的神经系统疾病。其病因复杂，涉及遗传、环境、衰老等多因素相互作用，最终导致认知障碍、运动失调、感觉异常甚至死亡。随着全球人口老龄化加剧，像阿兹海默症（Alzheimer’s disease，AD）、帕金森病（Parkinson's disease，PD）等常见的NDDs已成为日益严峻的公共卫生挑战。本期小源将带您深入了解：从细胞到疾病——hPSCs如何助力神经退行性疾病建模的“全景图”，聚焦模型构建策略、研究进展及临床转化前景，探寻神经疾病研究的下一站创新突破。

以往数十年对于NDDs的研究已经鉴定出不少与其高度相关的遗传因素和生化过程，如病理性蛋白聚集、突触与神经元网络功能障碍、蛋白稳态异常、细胞骨架改变、能量代谢紊乱、核酸缺陷、炎症以及神经元细胞死亡等，都已确定为NDDs的典型特征。这些核心发现在很大程度上归功于多种多样的NDDs病理研究手段。在早期研究阶段，比较常见的研究方式有尸检脑组织分析和基于动物模型的病理学研究。通过尸检过程中的脑组织分析，我们能够十分直观地观察到人类疾病终末期的病理特征，如蛋白沉积、神经元丢失等现象，但这种方法无法灵活地对整个疾病动态的发展过程进行研究，尤其是早期的病理变化，同时也难以验证疾病发生与这些病理特征的因果机制，仅能够相对有限地阐述两者之间的关联性。相比之下，基于动物模型的方法在近年来对于NDDs致病机制的解析上取得了更加让人印象深刻的突破。常用的模式动物有小鼠、大鼠、果蝇、猪等，这些模式动物的应用，能够模拟神经系统整体的生理环境，可以观测到像血脑屏障、免疫系统和神经网络等复杂因素对于NDDs发生的影响，另外，也适用于行为学研究和在体药效评估。然而，由于人类与这些模式动物在脑结构、基因表达、代谢途径上存在显著差异，因此，许多动物模型难以完全模拟出人类特有的病理特征，如AD的神经原纤维缠结和PD的路易体痴呆等病理特征，而且部分在基于动物模型所得到的实验结果和现象也难以在人的体系上复现。

在过去的二十年来，人多能干细胞（human Pluripotent Stem Cells，hPSCs）在胚胎发育与再生医学方面取得了前所未来的突破和进展，这些进展推动了其在神经科学中的广泛应用，增进了对相关疾病发病机制的理解，并促进了对新型治疗靶点和方法的探索。特别是随着重编程技术的开发与神经元分化技术的不断优化，极大地推进了诱导多能干细胞（induced Pluripotent Stem Cells，iPSCs）在神经系统疾病机制研究上的应用和各类神经退行性疾病模型的构建。

图1. 基于hPSCs的疾病建模与药效评价应用[1]

人多能干细胞主要有人胚胎干细胞（human Embryonic Stem Cells，hESCs）和人诱导多能干细胞（human induced Pluripotent Stem Cells，hiPSCs）两大类型，具有多能性、自我更新以及多向分化能力，因此利用能够长期增殖的hPSCs理论上可以获取大量的神经谱系细胞或者相关的脑类器官等疾病模型，可以用于对应的病理机制研究或者药效评估。其中，hiPSCs可来源于患者的体细胞，具有与患者一致的遗传背景，通过特定的分化技术能够将其诱导成保留患者遗传特性的疾病细胞模型或类器官模型。而另一方面，hESCs或者健康人的hiPSCs也能够通过基因编辑的方式对细胞进行相应的基因敲除或者点突变引入，通过模拟病理遗传特征的方式进一步构建疾病模型。那么，hPSCs能够通过诱导分化能够获得哪些神经谱系的细胞类型呢？针对不同的神经退行性疾病，应用选择哪些类型的神经细胞，这些细胞在对应的退行性疾病背景下有哪些特异性的病理表型呢？今天，小源就将为大家一一解答，为各位老师在神经科学和神经退行性疾病研究上带来有用的干货。

图2. iPSCs的神经谱系分化潜能[2]

在众多的神经退行性疾病中，神经元、胶质细胞等神经谱系细胞的异常表型与疾病的发生高度相关，但是其获取一直面临着巨大挑战。而hPSC的出现极大缓解了这一难题，由于其多向分化潜能以及神经定向分化方法的不断优化，如今hPSCs衍生的各类神经细胞或类器官已经被广泛应用于神经科学领域，尤其是在体外疾病模型的建立上展现出巨大潜力，为研究神经退行性疾病致病机制和药物筛选提供了理想的体系和平台。下面，小源给各位老师列举了基于hPSCs的神经谱系细胞和脑类器官的体外主要分化类型和常见的分化方法。

表1. hPSCs的神经分化潜能

前面提到，iPSC及其衍生物与供体基因组一致，为缺乏合适模型的神经退行性疾病提供了独特的体外研究工具。另外，针对散发型病例，也能通过基因编辑在hESCs或者健康人的hiPSCs上进行基因敲除或者引入致病突变，模拟病理遗传特征。此类模型的建立对阐明疾病机制和开发靶向治疗至关重要。下面将以阿兹海默症、帕金森病和亨廷顿病（Huntington’s Disease，HD）这三种最具代表性的神经退行性疾病为例，讲解其目前常用的细胞或类器官疾病模型及其对应的病理特征。

阿兹海默症（AD）

根统计，在AD患者中，散发型病例高达95%，而家族型病例仅占5%，后者与APP、PSEN1/PSEN2等基因的突变相关，而散发性AD的主要风险因子则是APOE4等位基因。AD的核心病理标志是神经元的β-淀粉样蛋白（Aβ）积累和Tau蛋白过度磷酸化导致的神经元缠结，只是这些病理特征与AD发病之间的因果联系，目前仍不清楚。此外，以往通过hPSC所获得的神经元，不仅能模拟出上面的两种核心特征，还表现出其他的病理表型，像GSK3β的激活、神经元电生理活动异常、氧化应激增强、活性氧产生增多、内质网功能障碍和线粒体异常等。除了神经元以外，研究人员还利用其他源自hPSCs的体外模型研究AD，包括神经干细胞/神经祖细胞（NSCs/NPCs）、小胶质细胞、星形胶质细胞、少突胶质细胞和脑类器官等。下面小源给各位老师整理了AD各类体外研究模型的病理特征：

表2. AD体外研究神经细胞模型及其病理特征

帕金森病（PD）

PD是仅次于阿尔茨海默病的第二大常见神经退行性疾病。大约10%的PD患者被诊断为家族性帕金森病，其余病例则归类为散发性帕金森病。PD的主要病理特征是进行性的多巴胺能（DA）神经元丧失，并伴随α-突触核蛋白的积累和路易小体的形成。基因突变，如SNCA、PARK2、PINK1和LRRK2，与PD的发病机制均密切相关，但其确切作用目前仍有待探索。由此可见，DA神经元可以说是目前研究PD病理机制和筛选潜在治疗药物最为有效和常用的体外研究模型。此外，其他神经谱系细胞，像星形胶质细胞细胞、小胶质细胞和神经干细胞等，以及3D的脑类器官模型，在PD的致病机制研究中也受到了广泛关注和应用。同样地，下面小源也给各位列举了PD这种退行性疾病研究上常用的体外模型和对应的病理表型：

表3. PD体外研究神经细胞模型及其病理特征

亨廷顿病（HD）

HD是一种常染色体显性遗传的神经退行性疾病，其特征包括进行性运动功能障碍、认知能力下降和精神障碍。HD是由位于4号染色体上的亨廷顿基因（HTT）第1外显子内CAG三核苷酸重复序列的异常扩增引起的。统计表明，CAG重复序列的长度与疾病发病年龄呈负相关，与疾病严重程度呈正相关。在病理学上，HD的标志性特征包括：突变HTT蛋白聚集、进行性纹状体变性伴中型多棘神经元（MSNs）选择性丢失、神经递质稳态破坏、线粒体功能障碍以及显著的锥体外系运动异常（如舞蹈症和肌张力障碍）。其中，纹状体中GABA能MSNs的丢失是HD最具代表性和最显著的表型。该表型特征以及其他体外研究模型的表型总结如下：

表4. HD体外研究神经细胞模型及其病理特征

看完三大NDDs的建模思路，大家是否对神经疾病的研究有了更加系统的认识啦？目前，大量研究已经证明，通过hPSCs诱导分化获得的神经元或者神经干细胞，结合基因编辑引入潜在的致病突变或者重复序列，或者直接通过NDD患者来源的iPSCs分化诱导而来的神经谱系细胞，能够有效模拟这些NDD疾病患者的特异性病理特征，甚至可以说，现如今许多被揭示的致病机制和治疗方案都是从hPSC诱导而来的体外研究模型上获得。其实，除了三大NDD以外，基于hPSC的神经元、胶质细胞等神经谱系细胞同样在脊髓小脑共济失调（SCA）和脊髓性肌萎缩症（SMA）的机制研究中大放异彩，展现出疾病特异性表型和易感性，可以用作有效且可靠的体外研究模型。

然而，虽然hPSCs向神经元或神经干细胞的分化是研究神经系统发育、疾病建模、药物筛选和靶向治疗的重要途径，但这一过程依然需要面临诸多难点和挑战，例如：

1.分化效率与异质性

神经分化过程中往往产生较多的混合细胞群，包含目标神经元、神经干细胞，还有一些非目标神经元亚型、未完全分化细胞，甚至残留多能干细胞，获得高纯度、特定类型的细胞群体难度大。另外，不同hPSC细胞系之间，甚至同一细胞系的不同培养批次之间，其分化倾向性和效率均可能存在显著差异，批次间的稳定性难以控制。

2.功能成熟度

如果不具备稳定成熟的体外分化方案，所产生的神经元可能在特异性蛋白表达、突触连接、电生理特性、代谢水平和基因表达谱等方面表现出不成熟的特征，无法真正用作有效的体外疾病模型。

3.操作的标准化与可重复性

分化方案通常涉及多阶段、多种生长因子、小分子和基质，步骤繁琐，对操作技术要求高。另外，对于如何定义各阶段的分化状态、“完全分化”和“功能成熟”等指标，需要具有相关专业背景和丰富经验的技术人员全流程把关。

4.诱导成本问题

高质量的hPSC培养和神经分化所需的特殊培养基、生长因子、小分子试剂以及基质胶等物料成本一般非常高昂，限制实验的灵活性和方案设计。

目前，源井生物已推出hPSCs（含hESCs、hiPSCs）向神经干细胞/神经前体细胞与神经元（皮层、前脑）分化的技术服务与相关产品。相关分化流程与效果图如下：

图3. 源井生物hPSC神经分化技术服务的实验流程与检测结果

当前，hPSC向神经系统细胞分化过程中仍面临诸多挑战，包括分化效率低、过程不稳定、重复性差等问题。针对这些技术瓶颈，源井生物依托自主研发的神经分化技术体系，结合成熟稳定的干细胞培养平台，为科研工作者提供从hPSC高效诱导分化至神经干细胞（NSCs）或神经元（neurons）的一站式解决方案。

同时，源井生物还拥有先进的CRISPR基因编辑平台，可灵活实现多种靶点的精准改造，为神经系统发育研究、疾病模型构建、药物筛选与药效评价等科研项目提供强有力的技术支撑。

1.高效神经分化方案与精准阶段控制： 显著提升神经干细胞与目标神经元的分化纯度与得率，有效减少混杂细胞群；严格的标准化培养和诱导体系，结合先进的实时检测与质控手段，大幅度提升批次间分化效果的稳定性和一致性。

2.神经干细胞/神经元的功能保障： 具备完善的神经谱系细胞检测手段，保证获得的神经干细胞/神经元的正常形态与特异性标志物表达，以及神经元的功能成熟，为其科研用途奠定坚实基础；

3.基因编辑“无缝衔接”： 具备自主研发且成熟稳定的基因编辑平台，高效实现基因敲除、点突变、敲入等编辑项目，轻松助力基因功能研究与疾病建模，提升项目的效率与成功率。

4.专业技术团队支撑： 具备博士级别的专业技术团队，项目人员拥有丰富的hPSC培养和干细胞诱导分化经验，实现项目的全流程把关。

本期技术专题分享就到这里！如果您对 hPSC神经分化 或 CRISPR基因编辑 感兴趣，或在相关研究中有具体技术需求，欢迎填写联系方式或直接· 咨询小源。我们将第一时间为您提供专业支持与定制化解决方案，助力您的科研更进一步！

参考文献

[1] Okano H, Morimoto S. iPSC-based disease modeling and drug discovery in cardinal neurodegenerative disorders. Cell Stem Cell. 2022 Feb 3;29(2):189-208.
[2] Guo X, Wang X, Wang J, Ma M, Ren Q. Current Development of iPSC-Based Modeling in Neurodegenerative Diseases. Int J Mol Sci. 2025 Apr 16;26(8):3774.