DS（Down syndrome，唐氏綜合征）被稱為 21 – 三體綜合征，這種疾病是在常規(guī)染色體中增加了一條 21 號染色體而引發(fā)的，21 號染色體是導(dǎo)致嬰兒出生缺陷和認(rèn)知異常最常見的遺傳原因，目前 DS 的發(fā)病率大約為 0.0125%。

幾十年來，醫(yī)學(xué)界一直以轉(zhuǎn)基因小鼠模型和死后人體組織作為研究。研究表明，唐氏綜合征存在腦體重量減輕、腦萎縮、皮層變薄、神經(jīng)生成受損和皮質(zhì)層壓改變等特征。

盡管在過去 20 年內(nèi)，醫(yī)學(xué)界積累了一些有關(guān)唐氏綜合征神經(jīng)發(fā)育的知識，但其皮質(zhì)受損機(jī)理仍不清楚。迄今為止，醫(yī)學(xué)界仍沒有制備出有效治療唐氏綜合征的藥物。

近日，由南京醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院干細(xì)胞與神經(jīng)再生研究所劉妍教授、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)系郭興教授、林明焰副教授擔(dān)任共同通訊作者，南京醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院 2021 屆博士研究生唐曉艷擔(dān)任第一作者的論文發(fā)表在?The Journal of Clinical Investigation?雜志上。

圖｜劉妍（來源：南京醫(yī)科大學(xué)官網(wǎng)）

論文標(biāo)題為《人腦類器官中靶向 DSCAM/PAK1 通路或可挽救唐氏綜合征皮層發(fā)育障礙》（DSCAM/PAK1 pathway suppression reverses neurogenesis deficits in iPSC-derived cerebral organoids from patients with Down syndrome）。

圖｜相關(guān)論文（來源：The Journal of Clinical Investigation）

該研究指出皮質(zhì)發(fā)育的早期缺陷可能是唐氏綜合征認(rèn)知障礙的原因，但是潛在分子機(jī)理目前尚不明確。

劉妍教授所在的研究團(tuán)隊對４個多倍細(xì)胞系的大腦器官和來自３個 21 三體患者的 iSPCs（多功能干細(xì)胞）進(jìn)行組織學(xué)分析及 scRNA-Seq（無偏性單細(xì)胞分析），以探索在早期大腦發(fā)育中與唐氏綜合征相關(guān)的細(xì)胞類型 – 特異性異常。

該研究發(fā)現(xiàn)，唐氏綜合征患者的大腦器官，由于皮層下區(qū)皮質(zhì)神經(jīng)元的增殖減少，第 II 層和第 IV 層標(biāo)記物的表達(dá)減少，神經(jīng)生成明顯受到影響，這可能是造成器官尺寸縮小的原因。

該研究表明，體外開發(fā)的 3D 皮質(zhì)器官是唐氏綜合征寶貴的模型，為 DSCAM/PAK1 通路的低能調(diào)節(jié)與唐氏綜合征中發(fā)育性大腦缺陷之間提供了直接的聯(lián)系，通過干預(yù) DSCAM 基因表達(dá)及抑制其下游分子 PAK1，有望解決唐氏綜合征皮層發(fā)育缺陷。

圖｜DSCAM/PAK1 相關(guān)示意圖（來源：The Journal of Clinical Investigation）

針對唐氏綜合征目前的市場概況，該研究團(tuán)隊所發(fā)表的論文做了較為清晰的闡述。

第一，最近某些獨(dú)立的研究建立了腦器官，闡明了小頭癥、自閉癥、米勒 – 迪克綜合征（Miller-Dieker Syndrome）等神經(jīng)發(fā)育障礙的發(fā)病機(jī)理，但尚未報道唐氏綜合征中皮層發(fā)育遲緩的病理機(jī)制。

第二，在 HSA21（人類染色體 21）的蛋白質(zhì)編碼基因中，DSCAM（唐氏綜合征細(xì)胞粘附分子）編碼了參與神經(jīng)元生成、成熟、樹突形態(tài)的蛋白和神經(jīng)元線蛋白，這對大腦的發(fā)育至關(guān)重要。

PAK1（p21-activated kinase 1）作為 DSCAM 下游的一種基因，可以通過調(diào)節(jié)神經(jīng)前體細(xì)胞的增殖在皮質(zhì)發(fā)育中發(fā)揮作用。然而，DSCAM/PAK1 通路能否能調(diào)節(jié) DS 中大腦皮層的發(fā)展尚不清楚。

為此，該團(tuán)隊建立了 3D 腦器官培養(yǎng)，目的是為了研究唐氏綜合征中與患者大腦發(fā)育異常相關(guān)的機(jī)制。為了解決在體外培養(yǎng)中疾病表型的不同步和異質(zhì)表現(xiàn)所造成的混淆因素，劉妍所在團(tuán)隊進(jìn)行了高分辨率單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄分析，以揭示 DS 的細(xì)胞類型特異性分子病理學(xué)。

數(shù)據(jù)顯示，DS ipsc 衍生的腦類器官部分重現(xiàn)了在 DS 小鼠模型和死后的 DS 腦樣本中觀察到的異常，甚至增殖率降低和神經(jīng)發(fā)生異常也可重現(xiàn)。

此外，該研究團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)，通過敲除 3 個 DSCAM 等位基因中的 1 個位點，可以扭轉(zhuǎn) DS 器官中較薄的皮層和增殖缺陷。小分子抑制劑 FRAX486（一種小分子抑制劑）可以通過調(diào)節(jié) PAK1 的表達(dá)來挽救神經(jīng)病理表型。該團(tuán)隊的研究結(jié)果可能為 DS 提供產(chǎn)前干預(yù)的潛在目標(biāo)。

綜述，在 DS 這項研究中，劉妍所在團(tuán)隊使用患者 iPSC－衍生腦器官模型評估了 DS 皮質(zhì)發(fā)育缺陷。該團(tuán)隊所建立的腦器官模型，為研究 DS 的早期發(fā)育缺陷提供了新的途徑。

第一，通過轉(zhuǎn)錄分析，基于 CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，原核生物基因組內(nèi)一段重復(fù)的序列）的基因校正和小分子干預(yù)，證明 DS 皮質(zhì)發(fā)育的畸形歸因于前體細(xì)胞神經(jīng)元增殖的減少，并伴有神經(jīng)生成缺陷。

第二，DSCAM/PAK1 通路功能障礙已證明在 DS 的發(fā)病機(jī)理中起著關(guān)鍵作用。一方面，該團(tuán)隊目前的分析為確定治療目標(biāo)和篩選治療 DS 的藥物提供了備選。另一方面，DSCAM 和 PAK1 是逆轉(zhuǎn)異常神經(jīng)發(fā)育和改善 DS 產(chǎn)后認(rèn)知功能的潛在治療目標(biāo)。

來源：麻省理工科技評論