脊髓性肌萎缩症（SMA）是一种严重的神经系统罕见病，其发病机制主要与生存运动神经元蛋白（Survival Motor Neuron, SMN）的缺失或功能缺陷有关。

近年来，医学界对脊髓性肌萎缩症的研究取得了显著进展，特别是基因疗法的出现，为SMA患者提供了新的治疗选择。尽管目前的疗法可以缓解症状，但这些手段通常在症状出现后才开始应用，对于疾病早期阶段的干预和治疗仍然存在挑战。

在传统的经验中，神经退行性疾病的研究多从产后阶段开始，而忽略了发育过程中可能对疾病表现有重要影响的因素。而SMA的病理特征在不同的患者中表现出广泛的变异性，更需要注意到以前未被注意到的胚胎发育异常。

为寻找更好的治疗方案，德国神经退行性疾病中心和德累斯顿理工大学的科学家们利用首个同源性的SMA患者来源的诱导多能干细胞（iPSCs）模型和脊髓类器官（SCO）系统，更准确地模拟疾病相关的遗传背景，深入探索SMA疾病初期的神经发育缺陷，为理解该病发病机制，寻求未来的治疗策略提供了新视角。

同源性类器官模型

带来SMA治疗新策略

越来越多的研究结果表明，神经退行性疾病（NDs）可能具有对有丝分裂后神经元显示疾病特征至关重要的发育成分。尽管已知基因突变或缺失会导致一些神经退行性疾病（诸如家族性肌萎缩侧索硬化症、阿尔茨海默氏症、帕金森氏症或亨廷顿舞蹈症等），但因病理往往在患者出生后几十年才出现，导致缺乏对这些疾病发育的早期研究。

脊髓性肌萎缩症（Spinal Muscular Atrophy，SMA）是一种遗传性的神经退行性疾病，是儿童期最常见的遗传性神经肌肉疾病之一，也是所有遗传性疾病中致死率排名第二高的疾病。由于脊髓运动神经元（Motor Neuron，MN）退化，导致肌肉无力和萎缩，运动能力下降，严重时会导致患儿过早死亡。

SMA的发病机制主要与生存运动神经元蛋白（Survival Motor Neuron，SMN）的缺失或功能缺陷有关。SMN蛋白在细胞核中起着关键作用，特别是在剪接体小核糖核蛋白（snRNPs）的组装中，这一过程对于mRNA的正确剪接至关重要。

△ 遗传学已经确认SMA主要与两个高度同源的基因密切相关，SMN1与SMN2一般来说，大部分正常个体都有2份拷贝的SMN1基因，所以如果某个人两份拷贝的SMN1基因都失去功能的话一定会患病，只有一份SMN1基因起作用的个体为携带者。

目前已知可以通过基因疗法来解决蛋白质缺乏症，但是这也只能缓解疾病症状，迄今为止尚无经验表明SMA可以治愈。且运动神经元疾病中选择性运动神经元死亡的关键方面很难使用可用的小鼠模型来解决，亟需探索新的研究模型。

近年来，随着患者iPSC衍生类器官模型的不断涌现，一方面，促进了人类神经发育和疾病研究，颠覆以往对这些神经病变研究、诊断和治疗的认知；另一方面，能很好地转化为临床试验，有助于发现和测试新的治疗方法，为患者提供更多治疗选择。

近日，德国神经退行性疾病中心娜塔莉亚·罗德里格斯·穆埃拉（Natalia Rodriguez-Muela）教授团队利用类器官模型，试图寻找治疗SMA疾病的新策略。

“如今对SMA的看法集中在出生后的疾病上，此时神经系统的基本框架主要形成。这种观点忽略了与疾病相关的现象可能在神经系统仍在发育之前发生。事实上，我们的研究表明，SMA与胚胎发育异常有关，直到现在才知道。因此，我们相信这种疾病有一个迄今为止未被认识的前奏，需要超越现有疗法的干预措施”，德国神经退行性疾病中心（DZNE）和德累斯顿再生疗法中心（CRTD）的研究小组负责人Natalia Rodríguez-Muela教授说。

△ 该研究图形摘要

研究人员采用了同源性（isogenic）的SMA患者来源的诱导多能干细胞（iPSCs）模型和脊髓类器官（SCO）系统，探索了SMA早期神经发育的缺陷。

利用iPS细胞系构建概括脊髓和肌肉组织关键特征的脊髓类器官（SCOs），以模拟脊髓的发育环境，同时，这些细胞系也是通过对受SMA影响的个体的皮肤细胞进行CRISPR-Cas9基因编辑技术而来（研究人员纠正了SMA iPSCs中导致外显子7跳跃的核苷酸变化，生成了同源性对照细胞系）。此外，这些iPS细胞系被用来并利用单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术对神经干细胞的特异性进行纵向分析。

△ 同源性iPSCs构建的脊髓类器官（SMA-SCO），包含脊髓和肌肉组织关键特征，每个大约有一粒米大小

通过这种模型，研究人员能够更准确地模拟和研究SMA的病理过程，并揭示SMN在神经前体细胞和中胚层（Mesoderm）分化中的作用。

研究发现，SMA-SCOs表现出异常的形态发育、早期神经前体标记物表达的减少，以及运动神经元前体和标记物表达的加速。

△ 早期 SCO 中的 SMA NMP 中胚层偏倚导致 MN/神经细胞簇的数量减少，有利于成熟类器官中的肌肉细胞

研究人员还将具有SMA病理学的类器官与健康标本进行比较时，SMA类器官中的干细胞往往会过早发育成脊髓神经元。此外，纵向单细胞RNA测序（scRNA-seq）和靶向转录组分析表明SMA SCOs中细胞分布不同，细胞群存在扭曲，即神经元比正常神经元少，神经中胚层祖细胞（NMPs）偏向于肌肉细胞。

△ SMA脊髓类器官表现出神经发育改变的迹象，这种表型在同基因对照中得到部分纠正

研究团队在具有SMA类器官病理学的小鼠胚胎中也观察到类似的效果。这些组织培养还产生了另一个重要的结果——“当我们纠正与SMA相关的遗传缺陷时，我们仍然观察到发育异常，尽管程度较轻”，Natalia Rodriguez-Muela教授表示，“这表明，像目前的疗法那样，恢复基因很可能不足以完全改变SMA病理学。这与迄今为止的临床经验一致。因此，我相信，如果我们想改善SMA的治疗，我们需要解决发育异常。”

Natalia Rodriguez-Muela教授怀疑观察到的发育缺陷的原因可能在于基因调控受损。“这可能不仅仅是产生SMN蛋白的基因是否有缺陷的问题。从长远来看，这可能会导致将现有方法与靶向基因调控的药物相结合的改进疗法。”

也就是说，根据现有的研究结论，研究人员可能会根据所谓的“表观遗传学”采取行动，为了尽量减少发育异常，这种治疗很可能需要在怀孕早期进行。如果产前检查表明SMA，这可能是一种治疗选择。

综上，同基因性对于因果验证基因作用和揭示疾病相关机制至关重要。通过同基因患者来源iPSC生成复杂而强大的SMA 脊髓类器官，为深入研究SMN在早期发育阶段的功能奠定了实验基础。为研究SMA早期神经发育缺陷提供了实验数据，对于理解SMA的发病机制和开发新的治疗策略具有重要意义。

类器官技术点燃

神经退行性疾病治疗希望

通过类器官这个体外培养模型，可高度模拟疾病或组织的异质性，为研究神经退行性疾病、神经发育异常等疾病，尤其是疾病发育早期阶段的治疗干预手段，提供了可能的疾病治疗策略；也为广大患者带去更多治疗新机遇。

利用iPSC衍生类器官不仅可以进行药物筛选，加速新药的发现和优化过程，提高药物研发的成功率；还有助于研究个体间遗传变异对神经退行性疾病易感性和进展的影响。

近日，哈佛大学研究团队利用一种高度可重复的多供体人脑皮质类器官模型——人脑嵌合体（Brain Chimeroids），表明了他们的新发现将为大脑研究带来新路径。[2]通过在神经干细胞（NSC）或神经祖细胞（NPC）阶段重新聚集来自多个单供体类器官的细胞，生成人脑嵌合体，使每个供体在单个类器官中产生大脑皮质的所有细胞谱系。

△ 人脑嵌合体模型

这个人脑嵌合体模型，可以用于测量不同人类个体脑细胞生物反应的变化，为未来个体化医疗的多种可能性研究铺平了道路。

随着技术的不断发展和应用的深入，iPSC衍生类器官有望在未来的神经科学研究和临床应用中发挥更大的作用。未来将有更多的创新治疗方法和药物被开发出来，为患者带来更多的治疗选择和更好的治疗效果。

参考文献：

[1] Tobias Grass,Zeynep Dokuzluoglu,Natalia Rodriguez-Muela,et,al.Isogenic patient-derived organoids reveal early neurodevelopmental defects in spinal muscular atrophy initiation, Cell Reports Medicine (2024). DOI: 10.1016/j.xcrm.2024.101659

[2]  Antón-Bolaños, N., Faravelli, I., Faits, T. et al. Brain Chimeroids reveal individual susceptibility to neurotoxic triggers. Nature 631, 142–149 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07578-8