阿尔茨海默病的血管化神经免疫类器官模型

阿尔茨海默病(AD)是全球最常见的痴呆症类型，影响超过5500万人，目前治疗手段有限。AD的主要病理特征包括细胞外淀粉样β(Aβ)斑块、细胞内tau神经纤维缠结、神经炎症、突触/神经元丢失和大脑萎缩。尽管动物模型在AD研究中发挥了重要作用，但由于人类与动物之间存在显著的物种差异，许多在动物模型中成功的治疗方法在临床试验中失败，这凸显了开发更贴近人类病理的AD模型的紧迫性。此外，目前大多数AD模型集中在家族性AD(fAD)，而散发性AD(sAD)占所有AD病例的95%以上，且缺乏明确的致病基因突变，相关模型极为有限。

2025年5月2日，发表在Molecular Psychiatry上题为Alzheimer's disease patient brain extracts induce multiple pathologies in novel vascularized neuroimmune organoids for disease modeling and drug discovery的研究开发了一种基于人多能干细胞(hPSC)的血管化神经免疫类器官模型，包含人类AD大脑中受影响的多种细胞类型，如神经元、小胶质细胞、星形胶质细胞和血管。研究发现，将散发性AD患者的脑组织提取物暴露于类器官中，可在四周内诱导多种AD病理特征，包括Aβ斑块样聚集、tau缠结样聚集、神经炎症、突触/神经元丢失以及神经网络活动受损。此外，通过蛋白质组学分析揭示了类器官中与AD相关的失调通路。研究还发现，经过FDA批准的抗Aβ抗体药物Lecanemab能够显著降低类器官中的淀粉样蛋白负荷，但同时可能引发血管炎症反应。

图示描述

1，血管化神经免疫类器官的生成与表征。通过共培养人多能干细胞(hPSC)衍生的神经祖细胞(NPCs)、原始巨噬细胞祖细胞(PMPs)和血管祖细胞(VPs)，在3D条件下成功生成了包含多种细胞类型的类器官。免疫组织化学染色确认了PAX6+/NESTIN+神经祖细胞、CD235+/CD43+造血祖细胞样细胞、CD31+内皮细胞和PDGFRβ+周细胞的存在，以及NeuN+成熟神经元、MAP2+神经元树突、S100β+星形胶质细胞和IBA1+/CD45+小胶质细胞的形成。这些结果表明，类器官成功整合了多种细胞类型，模拟了人类大脑的复杂环境，为研究阿尔茨海默病(AD)病理提供了基础。

图1展示了血管化神经免疫类器官的构建过程。

2，散发性AD患者脑提取物诱导Aβ病理。研究人员将AD脑提取物暴露于类器官中，发现两周后类器官内出现神经元内Aβ聚集，四周后发展出6E10+和4G8+胞外Aβ斑块样聚集物。这些聚集物与硫黄素S染色阳性，表明形成了β折叠结构的蛋白质聚集物。定量分析显示，与对照组相比，AD组的Aβ负荷显著增加。这些结果表明，AD脑提取物中的Aβ种子能够在类器官中诱导Aβ病理，模拟AD患者大脑中的Aβ病理特征。

图2展示了散发性AD患者脑提取物在类器官中诱导Aβ病理的过程。

3，散发性AD患者脑提取物诱导tau病理。在AD脑提取物暴露两周后，类器官中观察到点状AT8+神经元内信号，四周后信号显著增强，表明形成了tau聚集物。通过AT8与pThr217双染色以及Gallyas银染色进一步确认了神经纤维缠结样结构的形成。这些结果表明，AD脑提取物中的tau种子能够在类器官中诱导tau病理，模拟AD患者大脑中的tau病理特征。

图3展示了散发性AD患者脑提取物在类器官中诱导tau病理的过程。

4，AD神经免疫类器官复现神经炎症和小胶质细胞功能。研究人员发现，暴露于AD脑提取物后，类器官中IL-6和CCL2的mRNA表达水平显著升高，表明存在神经炎症反应。三维重建图像显示，小胶质细胞可以吞噬Aβ，同时在AD组中观察到小胶质细胞内Homer1(突触后标记物)体积显著增加，表明小胶质细胞对突触的吞噬作用增强。这些结果表明，AD神经免疫类器官能够复现神经炎症和小胶质细胞的病理功能，模拟AD患者大脑中的炎症和突触修剪异常。

图4展示了AD神经免疫类器官复现神经炎症和小胶质细胞功能的过程。

5，AD神经免疫类器官复现突触/神经元损失和神经网络活动受损。定量分析显示，与对照组相比，AD组中每2500 μm²区域内Homer1点的数量减少，表明存在突触损失。同样，AD组中活性Caspase3+细胞显著增加，表明神经元死亡增加。微电极阵列(MEA)分析显示，AD组中神经放电数量、平均放电率和爆发次数减少，表明神经网络活动受损。这些结果表明，AD神经免疫类器官能够复现突触/神经元损失和神经网络活动受损，模拟AD患者大脑中的神经退行性变化。

图5展示了AD神经免疫类器官复现突触/神经元损失和神经网络活动受损的过程。

6，蛋白质组学分析揭示AD神经免疫类器官中扰乱的通路。与对照组相比，AD类器官中鉴定出87个差异表达蛋白(DEPs)，包括76个上调和11个下调蛋白。上调的DEPs中包括CD44、GFAP和MAPT等先前在AD人脑组织中被认为是潜在生物标志物的蛋白。KEGG富集分析表明，上调的DEPs富集在囊泡转运中的SNARE相互作用、突触囊泡循环、阿尔茨海默病、黏附连接和神经退行性疾病通路等，与AD患者的分子特征一致。这些结果表明，AD神经免疫类器官成功复现了AD患者大脑中的分子病理特征。

图6展示了蛋白质组学分析揭示AD神经免疫类器官中扰乱的通路。

7，抗Aβ抗体Lecanemab在AD神经免疫类器官中的应用。研究人员在暴露于AD脑提取物四周后的类器官中给予Lecanemab治疗两周，观察到淀粉样蛋白负担显著减轻，同时小胶质细胞对Aβ的吞噬作用增加。有趣的是，Lecanemab治疗组的类器官表现出血管炎症反应增强(VCAM-1 mRNA表达水平升高)和血管完整性潜在破坏(VE-Cadherin mRNA表达趋于下调)，这可能与临床上观察到的与淀粉样蛋白相关的成像异常(ARIA)副作用相关。这些结果表明，类器官模型不仅能够用于评估AD药物的疗效，还能够模拟药物的潜在副作用。

图7展示了抗Aβ抗体Lecanemab在AD神经免疫类器官中的应用。

全文总结

该研究开发的血管化神经免疫类器官模型成功整合了多种受AD影响的关键细胞类型，包括神经元、小胶质细胞、星形胶质细胞和血管细胞，构建了一个病理生理相关的3D人类细胞环境。该模型可在4周内诱导出多种AD病理特征，包括Aβ斑块、tau缠结、神经炎症、突触/神经元丢失及神经网络活动受损，为研究AD病理相互作用提供了高效平台。此外，该模型还成功验证了抗Aβ抗体Lecanemab的疗效及其潜在副作用，为AD药物开发尤其是免疫疗法提供了重要工具。研究还发现，Aβ和tau等致病性种子可在类器官中传播并引发类似AD的病理变化，支持了其朊病毒样特性。