科学报告：iPS细胞衍生的微胶质细胞通过胆固醇传递促进脑类器官的成熟

研究背景

本研究由Dong Shin Park、Tatsuya Kozaki等作者完成，研究发表在2023年11月9日的《Nature》杂志上。研究背景聚焦于人类胚胎脑发育中微胶质细胞的作用。微胶质细胞是驻留在大脑中的特化巨噬细胞，起源于胚胎阶段的原始巨噬细胞。这些细胞在调控神经前体细胞（Neuronal Progenitor Cells, NPCs）数量和分化、轴突生长和神经元网络形成中具有关键作用。然而，由于获取人类胚胎脑组织的限制，我们对其在早期人类脑发育中的具体功能知之甚少。

近年来，诱导多能干细胞（iPS细胞）技术的发展使得生成三维脑类器官成为可能。这些类器官部分模拟了人类胚胎脑的关键特征，但缺乏非神经细胞（如内皮细胞和微胶质细胞），使其在研究脑发育和疾病建模中的应用受到限制。

研究目标

研究的目标是通过将由同一人类iPS细胞衍生的原始样巨噬细胞（iMAC）与脑类器官共培养，生成含微胶质细胞的脑类器官（iMicro），探索微胶质细胞在促进类器官成熟和神经发生中的作用，以及揭示其与NPCs之间的胆固醇介导的信号交流机制。

研究方法

本研究分为以下几个阶段：

1. 脑类器官和原始样巨噬细胞的生成： 使用人类iPS细胞分别生成脑类器官和原始样巨噬细胞（iMAC）。类器官培养至第26天，与同时生成的iMAC共同培养。

2. 共培养模型的建立与分析： iMAC被引入类器官培养系统后，其逐渐渗透到类器官内部，表现出类似胚胎微胶质细胞的形态和功能。利用免疫荧光染色和单细胞RNA测序等方法，分析共培养后微胶质细胞的特性变化和类器官的发育情况。

3. 功能测试： 通过电生理记录和转录组分析，评估iMicro对神经元成熟的促进作用，具体包括动作电位的发放频率、轴突形成和突触发生。

4. 胆固醇传递机制的验证： 使用脂质代谢分析、蛋白表达检测和功能抑制实验（如使用ABCA1抑制剂Probucol）验证微胶质细胞如何通过脂质小体向NPCs传递胆固醇及其酯。

5. 体内验证： 通过对小鼠和人类胚胎脑组织的分析，验证脂质富集的微胶质细胞在胚胎发育中的存在及其功能。

主要发现

1. 微胶质细胞的发育与功能： iMAC在类器官中成功分化为iMicro，表现出典型的微胶质细胞特性，如分泌促神经发生的信号分子并增强神经元的电生理活动。

2. 神经前体细胞的分化与轴突生成： iMicro通过限制NPCs的增殖，促进其分化为神经元，显著增强了轴突发生和突触成熟。

3. 胆固醇传递机制： iMicro中的脂质小体富含胆固醇及其酯，通过ABCA1介导的外排机制，将胆固醇传递至NPCs，从而促进其代谢重编程和神经元分化。

4. 胚胎脑中的验证： 在小鼠和人类胚胎脑组织中均检测到富含脂质小体的微胶质细胞，进一步支持了体外研究的发现。

研究意义

1. 科学价值： 该研究首次通过生成含微胶质细胞的脑类器官，揭示了微胶质细胞在早期神经发生中的重要作用，填补了人类胚胎脑发育研究中的空白。

2. 应用价值： 微胶质细胞在神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）中的作用备受关注。本研究提供了一种新颖的类器官模型，可用于研究微胶质细胞在疾病发病机制中的作用。

3. 技术创新： 该研究发展了一种将微胶质细胞整合到脑类器官中的技术，为更精准的人类脑类器官模型的构建提供了重要方法学基础。

研究亮点

1. 首次在类器官中成功引入具有功能性微胶质细胞，为研究微胶质细胞在胚胎脑发育中的作用提供了重要工具。
2. 发现了微胶质细胞通过胆固醇传递促进神经元分化的全新机制。
3. 提供了体外脑类器官和体内胚胎脑组织的平行验证，显著增强了研究的科学严谨性。

结论

本研究展示了含微胶质细胞的脑类器官在研究人类胚胎脑发育中的潜力，同时为揭示微胶质细胞与神经发生的胆固醇介导信号交流开辟了新的研究方向。这一技术突破不仅为基础科学研究提供了新工具，也为开发针对神经退行性疾病的潜在治疗策略提供了理论依据。