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 號染色體是導致嬰兒出生缺陷和認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)學界一直以轉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、神經生成受損和皮質層壓改變等特征。

盡管在過去 20 年內，醫(yī)學界積累了一些有關唐氏綜合征神經發(fā)育的知識，但其皮質受損機理仍不清楚。迄今為止，醫(yī)學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)科大學藥學院干細胞與神經再生研究所劉妍教授、基礎醫(yī)學院神經生物學系郭興教授、林明焰副教授擔任共同通訊作者，南京醫(yī)科大學藥學院 2021 屆博士研究生唐曉艷擔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)科大學官網）

論文標題為《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｜相關論文（來源：The Journal of Clinical Investigation）

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

劉妍教授所在的研究團隊對４個多倍細胞系的大腦器官和來自３個 21 三體患者的 iSPCs（多功能干細胞）進行組織學分析及 scRNA-Seq（無偏性單細胞分析），以探索在早期大腦發(fā)育中與唐氏綜合征相關的細胞類型 – 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)皮質神經元的增殖減少，第 II 層和第 IV 層標記物的表達減少，神經生成明顯受到影響，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 皮質器官是唐氏綜合征寶貴的模型，為 DSCAM/PAK1 通路的低能調節(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 DSCAM 基因表達及抑制其下游分子 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，該研究團隊所發(fā)表的論文做了較為清晰的闡述。

第一，最近某些獨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）等神經發(fā)育障礙的發(fā)病機理，但尚未報道唐氏綜合征中皮層發(fā)育遲緩的病理機制。

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

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

為此，該團隊建立了 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)育異常相關的機制。為了解決在體外培養(yǎng)中疾病表型的不同步和異質表現(xiàn)所造成的混淆因素，劉妍所在團隊進行了高分辨率單細胞轉錄分析，以揭示 DS 的細胞類型特異性分子病理學。

數(shù)據顯示，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發(fā)生異常也可重現(xiàn)。

此外，該研究團隊還發(fā)現(xiàn)，通過敲除 3 個 DSCAM 等位基因中的 1 個位點，可以扭轉 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）可以通過調節(jié) PAK1 的表達來挽救神經病理表型。該團隊的研究結果可能為 DS 提供產前干預的潛在目標。

綜述，在 DS 這項研究中，劉妍所在團隊使用患者 iPSC－衍生腦器官模型評估了 DS 皮質發(fā)育缺陷。該團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，通過轉錄分析，基于 CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，原核生物基因組內一段重復的序列）的基因校正和小分子干預，證明 DS 皮質發(fā)育的畸形歸因于前體細胞神經元增殖的減少，并伴有神經生成缺陷。

第二，DSCAM/PAK1 通路功能障礙已證明在 DS 的發(fā)病機理中起著關鍵作用。一方面，該團隊目前的分析為確定治療目標和篩選治療 DS 的藥物提供了備選。另一方面，DSCAM 和 PAK1 是逆轉異常神經發(fā)育和改善 DS 產后認知功能的潛在治療目標。

來源：麻省理工科技評論