10.4.4 退行性疾病
在个体中，如果细胞发生持续退化而导致组织发生恶化甚至是病变，这种状态便称为“退行性疾病”。如果这种退化发生在脑和脊髓，则被归类为“神经退行性疾病”。导致神经退行性疾病的细胞主要是中枢神经系统中的神经元和胶质细胞，这些细胞在分化末端很难再生。当受到遗传因素影响或环境刺激，神经元和各类胶质细胞发生凋亡、细胞行为或代谢异常，将促发退行性疾病的产生。目前被学界鉴别的神经退行性疾病包括：阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）、帕金森症（Parkinson's disease，PD）、亨廷顿舞蹈症（Huntington's disease，HD）、肌萎缩型脊髓侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）、多发性硬化症（multiple sclerosis，MS）、小脑萎缩症（cerebellar atrophy）等。脑类器官能很好地模拟早期人脑发育，其成熟度尚不能模拟人脑的衰老状态，但近年来的研究发现该模型也可以体外重现一些退行性疾病的临床病征。另外，越来越多的证据表明，神经发育阶段的异常在多种神经退行性疾病的发病中起着重要作用［119，120］，因此，应用脑类器官模拟神经退行性疾病，也将有助于深入了解退行性疾病的早期潜在发病机制。
1.阿尔茨海默病（AD）
阿尔茨海默病又被称为老年痴呆症，发病时间漫长、隐匿。65岁以上人群患病概率为5%。临床上患者常出现记忆障碍、认知失调、人格行为改变等症状。AD属于复杂疾病，既有散发性也有家族性病例，研究表明遗传因素是AD的重要发病因素。此外，也有证据表明社会环境因素，或者病原体感染，也会诱发AD发病。目前关于AD发病有多种假说，主要包括Aβ淀粉样蛋白聚集和无法清除从而形成具有神经毒性的斑块、过度磷酸化的Tau蛋白累积导致神经原纤维缠结、氧化应激、载脂蛋白APOE突变、胆碱能损伤造成的神经元变性等。近几年已有多项使用脑类器官对AD开展研究的工作。在家族性AD患者（比如携带β-淀粉样蛋白前体蛋白编码基因APP突变，或AD致病基因PSEN1突变）来源iPSCs构建的脑类器官中，研究人员观察到了Aβ在细胞间的聚集，和磷酸化Tau蛋白斑块［121，122］。而通过加入抑制Aβ生成的β-或γ-分泌酶抑制剂，可修复脑类器官中Aβ聚集的病理表型［121］。APOE4被认为是具有极高AD致病风险的载脂蛋白。对AD患者来源iPSCs构建的脑类器官研究发现，APOE可诱发AD病征，如Aβ聚集、Tau蛋白磷酸化、细胞凋亡增加和神经突触完整性下降［123］。而APOE导致AD病征的分子机制，则体现出多样化的现象，如影响RNA代谢［123］、增加神经元Aβ分泌［124］、降低星型胶质细胞对Aβ吸收和胆固醇积累［124］、影响小胶质细胞形态［124］、导致少突胶质细胞中胆固醇异常积累［125］，以及影响髓鞘形成［125］等。另外，由于唐氏综合征的21号染色体上有额外的Aβ前体蛋白拷贝，因此70%唐氏综合征患者会发展出老年痴呆症。而脑类器官模型也成功地展现了唐氏综合征与AD的相关性。唐氏综合征患者遗传背景的脑类器官中，也出现了Aβ聚集、Tau蛋白过度磷酸化、神经元丢失等病理现象［85，121］。而在一项治疗性探索研究中，研究人员向AD患者iPSCs来源的脑类器官中加入HDAC6抑制剂CKD-504，观察到了磷酸化Tau蛋白水平下降，该效应是由CKD-504通过抑制HDAC6从而促进Tau蛋白降解来实现的［126］。此项研究不仅揭示了Tau蛋白修饰对AD疾病发展的影响，还为AD的临床治疗提供了新的手段。
2.帕金森症（PD）
帕金森症又被称为震颤麻痹，是一种在中老年人中常见的中枢神经系统退行性疾病。该病临床表现包括运动障碍、震颤麻痹和肌肉僵直，还伴有一定的睡眠障碍、精神障碍、感觉障碍和自主神经功能障碍。PD可以分为原发性和继发性和症状性。原发性PD有很强的遗传倾向，一般一侧肢体先开始发病。继发性PD的患者一般受到了脑炎、中毒、外伤、肿瘤、代谢等影响，双侧肢体同时发病。目前研究认为PD的发病是由于中脑黑质区（substantia nigra）多巴胺能神经元（dopaminergic neuron）病变坏死，从而引起纹状体多巴胺含量不足而导致。多巴胺能神经元内线粒体功能紊乱、不溶性的α-突触核蛋白聚集等，可能是该类神经元发生退行性病变的原因。目前研究人员已鉴定出一些与PD发病密切相关的致病基因，如α-突触核蛋白编码基因SNCA和LRRK基因等。虽然PD被认为是衰老相关的退行性疾病，但是越来越多的证据表明发育异常也在PD发病中起着重要的作用［120］。为了在脑类器官上模拟PD，研究人员利用定向分化策略构建了中脑（黑质区所在脑区）特异的脑类器官模型。在应用携带LRRK G2019S突变的患者iPSCs培养的中脑类器官中，研究人员观察到多巴胺能神经元分化障碍、α-突触核蛋白聚集、多巴胺神经元修剪异常及凋亡增加等临床常见病征［127-130］，这些表型有可能与APP、DNAJC6、GATA3、PTN［129］或NR2F1［130］等基因表达变化有关。而另一项研究应用基因编辑构建了编码HSP40 auxilin蛋白的DNAJC6基因缺失ESCs，进而通过培养中脑类器官成功地模拟了早发性PD的发病，此疾病模型也展现了多种PD临床表型，包括多巴胺能神经元退化、α-突触核蛋白聚集、神经元放电频率异常增加、线粒体和溶酶体功能障碍等［131］。其潜在的分子机制可能是WNT-LMX1A信号通路受损，从而影响了多巴胺能神经元的发育和功能［131］。最近的一项研究应用PINK1突变的脑类器官模型进行了药物治疗方面的探索，发现2-羟丙基-β-环糊精可以促进多巴胺能神经元分化，并增加神经元自噬和线粒体自噬能力，对PD病征有缓解作用［132］。(https://www.daowen.com)
3.亨廷顿舞蹈症（HD）
亨廷顿舞蹈症是一种罕见的常染色体显性遗传病。该疾病临床症状复杂多变，且病情随年龄增加呈进行性恶化，以舞蹈样动作、进行性认知、精神障碍终至痴呆为该症的主要病征。亨廷顿的致病基因是位于4号染色体的H TT（Huntingtin）。正常的HTT蛋白具有多种细胞功能，如HTT可以促进神经营养因子编码基因BDNF的转录，促进BDNF在皮层—纹状体投射神经元里的转运［133］。而HTT蛋白变异则可导致相关功能障碍，从而导致HD发生。HTT基因的第一个外显子中有多个可以编码谷氨酰胺的CAG三联密码子，此三联密码子重复次数不稳定，在遗传到下一代时重复次数可发生改变。在此三联密码子重复次数大于36次的个体中，HTT蛋白发生变异，丧失正常蛋白功能［133］。而变异HTT蛋白通过不同分子机制导致神经功能退化。比如变异HTT蛋白中的多聚谷氨酰可以大规模影响分子间相互作用，形成淀粉样沉积，也导致细胞内蛋白运输紊乱；变异HTT蛋白可以与跨线粒转运蛋白TIM23结合，抑制线粒体的代谢活动，触发细胞凋亡［133］；变异HTT蛋白可抑制自噬功能，促进细胞凋亡［133］。研究人员应用脑类器官对HD进行了疾病模拟和发病机制研究，发现了H TT突变对早期端脑发育和大脑皮层、纹状体神经元谱系发生都有影响［134］。当HTT第一个外显子中CAG重复较多时，脑类器官不能很好地形成神经外胚层，而当CAG重复较少时，脑类器官的形态和细胞组成会受到严重影响［134］。值得注意的是，研究人员在较早的培养阶段即在神经干细胞中观察到了表型，而在患者中HD表型通常在中年阶段的神经元中出现，因此，早期的神经发育障碍与后期HD发病的关联仍需进一步研究。此外，研究人员使用HD患者iPSCs构建了人纹状体类器官，发现热休克蛋白HSF1会聚集在疾病背景脑类器官中的细胞线粒体周围［135］。进一步研究发现HD患者中的HSF1可以促进Drp1蛋白的磷酸化，致使线粒体碎片化，因此该研究为了解HD的发病揭示了新的分子机制［135］。
4.肌萎缩型脊髓侧索硬化症（ALS）
肌萎缩型脊髓侧索硬化症又被称为渐冻症，是一种运动神经元损伤导致的渐进性中枢神经系统退行性疾病。其早期临床表现为肌无力、肌肉跳动、易疲劳等轻微症状，随着病情发展呈现为全身肌肉萎缩、吞咽困难，最后产生呼吸衰竭。ALS的病因至今还未被阐明，越来越多的证据表明遗传因素和环境因素均起到了一定的作用。虽然遗传因素对ALS发病起关键作用，但目前国际上只鉴定了不到20%的ALS患者的致病基因。已知的ALS致病基因包括SOD1、ALS2、SETX、DCTN1、VAPB、ANG、TDP43、FUS、TARDBP和C9ORF72等。近年来，研究人员也开始应用脑类器官或脊髓类器官探索ALS的发病机制。研究人员应用携带C9ORF72基因突变（GGGGCC六核苷酸重复序列扩增）的ALS/FTD（frontotemporal dementia，额叶痴呆）患者iPSCs来源的皮质类器官，模拟了ALS/FTD早期分子病理特征，揭示了此类病患神经元和星型胶质细胞中基因转录、蛋白合成、DNA损伤修复等方面的缺陷，而这些缺陷可以通过蛋白激酶R样内质网激酶（PERK）抑制剂GSK2606414挽救［136］。应用CRISPR-Cas9基因编辑技术在小鼠疾病模型（包含大概500～600个六核苷酸重复序列）和ALS脑类器官模型（包含450个六核苷酸重复序列）中切除多余的重复序列，可成功修复C9ORF72基因异常导致的ALS/FTD病征，为ALS提供了新的临床治疗策略［137］。另外，研究人员还应用脑类器官和脊髓类器官探究了TDP43［138］和FUS［139］基因缺失对ALS发病的作用，揭示了少突胶质细胞胆固醇代谢［138］和区域特异性神经细胞增殖和分化［139］的变化。