南京医科大学团队揭示母体高胆固醇通过脑类器官模型影响胎儿神经发育的新机制

作者及发表信息
本研究由南京医科大学干细胞与神经再生研究所的Pan Fan、Yuanhao Wang、Kaiqin Lu等共同完成，通讯作者为Xiao Han和Yan Liu。研究成果于2023年发表在*Life Medicine*期刊（Volume 2），标题为《Modeling maternal cholesterol exposure reveals a reduction of neural progenitor proliferation using human cerebral organoids》。论文链接：https://doi.org/10.1093/lifemedi/lnac034。

学术背景
母体肥胖与子代神经发育障碍（如自闭症谱系障碍ASD和智力障碍）的关联已被流行病学和动物实验证实，但高胆固醇是否直接导致神经发育缺陷及其机制尚不明确。传统动物模型（如小鼠）因胎盘结构与人类存在显著差异（如缺乏人类胎盘特有的雌激素合成基因簇），限制了其转化价值。本研究利用人多能干细胞（hPSC）衍生的脑类器官（cerebral organoids）构建胆固醇暴露模型，模拟母体高胆固醇环境对胎儿早期神经发育的影响，旨在揭示胆固醇干扰神经前体细胞增殖与分化的分子机制。

研究流程与方法

1. 脑类器官培养与胆固醇暴露模型构建

   • 研究对象：使用hPSC系（H9和IMR90-4）分化为脑类器官，模拟人类胎儿8-9周大脑发育阶段。
     
   • 胆固醇处理：在培养基中外源性添加甲基-β-环糊精/胆固醇复合物（MβCD-cholesterol），浓度梯度为0-20 μg/mL（基于胎儿脑脊液胆固醇水平），最终选定15 μg/mL为实验浓度（高浓度20 μg/mL显示毒性）。
     
   • 验证模型：通过Filipin Ⅲ染色和胆固醇定量检测证实类器官内胆固醇水平显著升高（p<0.05）。
     

2. 表型分析

   • 内体肿胀：电镜和免疫荧光（EEA1标记）显示，胆固醇处理组脑类器官的VZ样区（ventricular zone-like region）内体直径显著增大（p<0.05），提示内体成熟障碍。
     
   • 细胞增殖抑制：
     
     • Ki67染色显示VZ样区增殖细胞比例下降（p<0.05）。
       
     • EdU/BrdU双标记实验表明细胞周期退出指数升高（p<0.05），且S期细胞减少（CCAF算法分析）。
       
   • 早熟分化：Pax6+神经前体细胞异常迁移至皮质板样区（CP-like region），Tuj1+神经元比例增加（p<0.05）。
     

3. 单细胞转录组测序（scRNA-seq）

   • 细胞聚类：鉴定7类细胞群，包括放射状胶质细胞（RGCs）、中间祖细胞（IPCs）和神经元。
     
   • 差异基因：胆固醇组上调371个基因（如胆固醇外排蛋白ABCA1）、下调969个基因（如胆固醇合成酶DHCR7和LDL受体）。
     
   • 通路分析：RGCs中G2/M期转换相关通路受抑制，与增殖减少表型一致；胆固醇代谢基因（CYP46A1、NPC2）表达异常，提示固醇代谢紊乱。
     

4. 疾病关联分析

   • 差异基因与ASD相关基因重叠度最高（显著高于精神分裂症和智力障碍）。
     
   • 转录组特征与ASD患者来源类器官高度相似（Pearson相关性分析）。
     

主要结果与逻辑链条
1. 胆固醇直接干扰神经前体细胞行为：内体肿胀→RGCs增殖减少→早熟分化，这一表型与ASD患者脑发育异常特征吻合。
2. 分子机制：胆固醇代谢紊乱（如CYP46A1上调导致神经毒性代谢物24-OHC积累）可能通过氧化固醇途径促发分化异常。
3. 临床意义：首次在人类模型中证实母体高胆固醇可能通过干扰神经前体细胞动态平衡，增加子代ASD风险。

结论与价值
1. 科学价值：
- 突破动物模型局限，建立可模拟母体环境暴露的人脑类器官平台。
- 揭示胆固醇通过内体-RGCs轴干扰神经发育的新机制，为ASD的环境因素假说提供直接证据。
2. 应用潜力：
- 胆固醇代谢标志物（如ABCA1、CYP46A1）或可作为产前诊断靶点。
- 为孕期血脂管理提供理论依据。

研究亮点
1. 技术创新：
- 首次将MβCD-cholesterol复合物用于脑类器官环境暴露建模。
- 结合超分辨显微镜（N-SIM）和scRNA-seq多组学分析。
2. 发现新颖性：
- 明确胆固醇导致内体肿胀与神经分化早熟的因果关系。
- 建立母体胆固醇-ASD风险的转录组关联。

其他重要内容
研究局限性：类器官中胆固醇浓度（15 μg/mL）虽基于生理数据，但仍需进一步验证其与体内真实环境的一致性。此外，类器官缺乏血管化和免疫微环境，未来可结合类 assembloid 模型优化。