南京医科大学研发3D皮质器官模型，或可解决唐氏综合征发育缺陷

DS（Downsyndrome，唐氏综合征）被称为21-三体综合征，这种疾病是在常规染色体中增加了一条21号染色体而引发的，21号染色体是导致婴儿出生缺陷和认知异常最常见的遗传原因，目前DS的发病率大约为0.0125%。

几十年来，医学界一直以转基因小鼠模型和死后人体组织作为研究。研究表明，唐氏综合征存在脑体重量减轻、脑萎缩、皮层变薄、神经生成受损和皮质层压改变等特征。

尽管在过去20年内，医学界积累了一些有关唐氏综合征神经发育的知识，但其皮质受损机理仍不清楚。迄今为止，医学界仍没有制备出有效治疗唐氏综合征的药物。

近日，由南京医科大学药学院干细胞与神经再生研究所刘妍教授、基础医学院神经生物学系郭兴教授、林明焰副教授担任共同通讯作者，南京医科大学药学院2021届博士研究生唐晓艳担任第一作者的论文发表在TheJournalofClinicalInvestigation杂志上。

论文标题为《人脑类器官中靶向DSCAM/PAK1通路或可挽救唐氏综合征皮层发育障碍》（DSCAM/PAK1pathwaysuppressionreversesneurogenesisdeficitsiniPSC-derivedcerebralorganoidsfrompatientswithDownsyndrome）。

该研究指出皮质发育的早期缺陷可能是唐氏综合征认知障碍的原因，但是潜在分子机理目前尚不明确。

刘妍教授所在的研究团队对４个多倍细胞系的大脑器官和来自３个21三体患者的iSPCs（多功能干细胞）进行组织学分析及scRNA-Seq（无偏性单细胞分析），以探索在早期大脑发育中与唐氏综合征相关的细胞类型-特异性异常。

该研究发现，唐氏综合征患者的大脑器官，由于皮层下区皮质神经元的增殖减少，第II层和第IV层标记物的表达减少，神经生成明显受到影响，这可能是造成器官尺寸缩小的原因。

该研究表明，体外开发的3D皮质器官是唐氏综合征宝贵的模型，为DSCAM/PAK1通路的低能调节与唐氏综合征中发育性大脑缺陷之间提供了直接的联系，通过干预DSCAM基因表达及抑制其下游分子PAK1，有望解决唐氏综合征皮层发育缺陷。

图｜DSCAM/PAK1相关示意图（来源：TheJournalofClinicalInvestigation）

针对唐氏综合征目前的市场概况，该研究团队所发表的论文做了较为清晰的阐述。

第一，最近某些独立的研究建立了脑器官，阐明了小头症、自闭症、米勒-迪克综合征（Miller-DiekerSyndrome）等神经发育障碍的发病机理，但尚未报道唐氏综合征中皮层发育迟缓的病理机制。

第二，在HSA21（人类染色体21）的蛋白质编码基因中，DSCAM（唐氏综合征细胞粘附分子）编码了参与神经元生成、成熟、树突形态的蛋白和神经元线蛋白，这对大脑的发育至关重要。

PAK1（p21-activatedkinase1）作为DSCAM下游的一种基因，可以通过调节神经前体细胞的增殖在皮质发育中发挥作用。然而，DSCAM/PAK1通路能否能调节DS中大脑皮层的发展尚不清楚。

为此，该团队建立了3D脑器官培养，目的是为了研究唐氏综合征中与患者大脑发育异常相关的机制。为了解决在体外培养中疾病表型的不同步和异质表现所造成的混淆因素，刘妍所在团队进行了高分辨率单细胞转录分析，以揭示DS的细胞类型特异性分子病理学。

数据显示，DSipsc衍生的脑类器官部分重现了在DS小鼠模型和死后的DS脑样本中观察到的异常，甚至增殖率降低和神经发生异常也可重现。

此外，该研究团队还发现，通过敲除3个DSCAM等位基因中的1个位点，可以扭转DS器官中较薄的皮层和增殖缺陷。小分子抑制剂FRAX486（一种小分子抑制剂）可以通过调节PAK1的表达来挽救神经病理表型。该团队的研究结果可能为DS提供产前干预的潜在目标。

综述，在DS这项研究中，刘妍所在团队使用患者iPSC－衍生脑器官模型评估了DS皮质发育缺陷。该团队所建立的脑器官模型，为研究DS的早期发育缺陷提供了新的途径。

第一，通过转录分析，基于CRISPR（ClusteredRegularlyInterspacedShortPalindromicRepeats，原核生物基因组内一段重复的序列）的基因校正和小分子干预，证明DS皮质发育的畸形归因于前体细胞神经元增殖的减少，并伴有神经生成缺陷。

第二，DSCAM/PAK1通路功能障碍已证明在DS的发病机理中起着关键作用。一方面，该团队目前的分析为确定治疗目标和筛选治疗DS的药物提供了备选。另一方面，DSCAM和PAK1是逆转异常神经发育和改善DS产后认知功能的潜在治疗目标。