利用人类脑类器官识别胸腺素 β4 作为阿尔茨海默病的干预靶点研究

阿尔茨海默病(AD)是一种进行性神经退行性疾病，主要病理特征包括 β- 淀粉样蛋白(Aβ)沉积、神经原纤维缠结、神经元丢失及胶质细胞激活，但其早期发病机制仍不明确。传统研究模型存在显著局限：动物模型因种属差异难以复现人类特异性病理;人类死后脑组织样本仅能反映终末期状态，无法捕捉早期神经发育异常。脑类器官源于人诱导多能干细胞(iPSCs)，可模拟人类大脑发育过程，为研究 AD 早期神经发生缺陷和病理机制提供了理想平台。本研究通过构建家族性 AD(fAD)脑类器官，识别出胸腺素 β4(Tβ4)作为潜在干预靶点，为 AD 的早期干预提供了新方向。

来自中国上海科技大学的团队在《Stem Cell Reports》(2025 年，Vol. 20)发表了题为Thymosin beta 4 as an Alzheimer disease intervention target identified using human brain organoids的研究。

核心内容如下：

研究方法：

fAD 脑类器官构建：从携带 APP 基因重复(APP2)和 APPV717I 点突变(HVRD)的 fAD 患者 iPSC，及健康对照 iPSC 诱导形成脑类器官，培养至 30-90 天，通过单细胞 RNA 测序(scRNA-seq)、免疫荧光等分析细胞组成和病理特征;

靶点筛选：对比 fAD 类器官与 AD 患者单细胞数据，筛选差异表达基因，聚焦 TMSB4X(编码 Tβ4);

功能验证：用 Tβ4 处理 fAD 类器官，检测神经元成熟、Aβ 水平变化;在 5xFAD 小鼠中通过 AAV 过表达 TMSB4X，评估淀粉样斑块、胶质激活及神经元兴奋性。

关键结果：

fAD 类器官特征：成熟神经元比例减少，年轻神经元和星形胶质细胞增多，Aβ 沉积增加，Aβ1-42/Aβ1-40 比例异常，细胞凋亡(c-CASP3+)增加;

靶点识别：TMSB4X 在 fAD 类器官神经元及 AD 患者兴奋性神经元中均下调，Aβ 处理会进一步降低其表达;

Tβ4 的挽救作用：Tβ4 处理可增加 fAD 类器官成熟神经元数量，减少 Aβ 沉积，上调神经发生相关基因;在 5xFAD 小鼠中，过表达 TMSB4X 可减少淀粉样斑块、抑制胶质激活，缓解神经元过度兴奋性;

机制提示：Tβ4 可能通过调控 γ- 分泌酶亚基(如 APH1B)减少 Aβ 生成，同时促进突触发育和神经信号传导。

实验结果

图 1：fAD 与对照脑类器官的细胞组成差异

该图展示 fAD 类器官的病理表型与细胞异质性。(A)实验流程：从 iPSC 诱导脑类器官，在 30、60、90 天进行 scRNA-seq 和免疫染色;(B)D90 类器官的 Aβ 染色显示，fAD 组(APP2、HVRD)荧光强度显著高于对照，证实 Aβ 沉积增加;(C)scRNA-seq 聚类分析识别出 12 种细胞类型，包括成熟神经元(MN)、年轻神经元(YN)、星形胶质细胞(ASC)等;(D-E)量化显示，fAD 类器官在 30 和 60 天时 MN 比例减少，YN、BMP 相关细胞(BRC)及 ASC 比例增加，提示神经元成熟障碍;(F-I)免疫荧光证实，fAD 类器官中第六层神经元标记 TBR1(D30)和成熟神经元标记 NeuN(D60)的信号显著降低，验证成熟神经元减少的表型。

图 2：神经元集群中 AD 样特征的富集

该图解析 fAD 类器官神经元的分子病理。(A)神经上皮细胞(NEC)的 DEGs 富集于 “神经元生成”“分化” 等 GO 术语，提示早期神经发生缺陷;(B)年轻神经元(YN)的 DEGs 富集于 “轴突导向”“谷氨酸能突触” 及 “阿尔茨海默病” 通路，表明早期神经元已出现 AD 分子特征;(C)AD 相关 DEGs(如 APP、APOE、线粒体基因)在 fAD 类器官中随培养时间上调，提示凋亡和线粒体功能障碍;(D-E)假时间轨迹分析显示神经元分化存在两条路径，状态 1(凋亡相关)细胞在 fAD 类器官中增多，状态 7(突触形成相关)减少;(F)状态 1 富集 “淀粉样蛋白形成”“神经元死亡” 相关基因，状态 7 富集 “突触组织” 基因;(G-H)fAD 类器官中 c-CASP3 + 凋亡细胞和 TUNEL 信号增加，证实细胞死亡加剧。

图 3：胶质细胞的 AD 样特征

该图揭示星形胶质细胞的病理变化。(A)fAD 类器官星形胶质细胞高表达疾病相关星形胶质细胞(DAA)标记基因(GSN、GFAP、CLU)，且 60 天时更显著;(B)ASC 的 DEGs 富集于 DAA 相关 GO 术语(如 “炎症反应”);(C)AD 相关基因(如 UQCRB、RTN3)在 ASC 中差异表达，与神经元中的变化一致;(D)ASC 的 DEGs 富集 “PI3K-Akt 信号通路” 等，涉及胶质激活;(E-F)胶质祖细胞(GPC)和 ASC 的轨迹分析显示，fAD 类器官细胞更倾向于分化为状态 5(高 DAA 评分);(G-H)fAD 类器官的 GFAPhigh 和 DAA 模块评分在轨迹终点更高，模拟 AD 患者星形胶质细胞的病理表型。

图 4：fAD 类器官与 AD 患者数据的联合分析

该图验证模型与临床的一致性。(A)AD 患者兴奋性神经元与 fAD 类器官 YN、MN 的 DEGs 对比，仅 TMSB4X 和 PTPRG 在两者中均下调;(B)GPC 和 ASC 的 DEGs 与 AD 患者星形胶质细胞重叠，包括 HSPB1(应激相关)和 MID1(下调);(C)fAD 类器官神经元 DEGs 的模块评分在健康人脑兴奋性神经元中最高，提示这些基因在正常神经功能中的核心作用;(D)类器官中 AD 易感性状态标记基因的模块评分在 AD 患者兴奋性神经元、抑制性神经元中差异显著，验证轨迹分析的临床相关性;(E)snRNA-seq 显示 AD 患者兴奋性神经元中 TMSB4X 表达显著下调，与类器官结果一致。

图 5：Tβ4 挽救 fAD 类器官的病理缺陷

该图证实 Tβ4 的功能作用。(A)实验设计：D20 时用 Tβ4 处理 fAD 类器官，D60 和 D90 检测;(B)免疫荧光显示，Tβ4 处理后 APP2 类器官的 NeuN + 成熟神经元密度增加，c-CASP3 + 凋亡细胞无显著变化;(C)D90 时，Tβ4 处理显著降低 APP2 类器官的 Aβ 荧光强度;(D-F)量化分析验证神经元密度升高、Aβ 水平降低，且 Aβ1-42/Aβ1-40 比例恢复;(G)RNA-seq 显示，Tβ4 处理下调 Aβ 形成相关基因(如 APH1B)，上调神经发育基因(如突触形成、轴突发育)，证实其对神经发生和 Aβ 生成的调控。

图 6：AAV-TMSB4X 缓解 5xFAD 小鼠的病理变化

该图验证体内效果。(A)AAV 载体设计：hSyn 启动子驱动 TMSB4X 过表达;(B)5xFAD 小鼠鞘内注射 AAV 的流程;(C-E)硫黄素 S 染色显示，AAV-TMSB4X 组皮质和海马的淀粉样斑块密度显著低于 AAV-GFP 组;(F-K)免疫荧光证实，TMSB4X 过表达减少 IBA1 + 小胶质细胞和 GFAP + 星形胶质细胞的激活，抑制神经炎症。

图 7：AAV-TMSB4X 缓解 5xFAD 小鼠的神经元过度兴奋性

该图解析电生理改善机制。(A-B)动作电位记录显示，5xFAD 小鼠皮质兴奋性神经元的半宽度增加、阈值电位降低(过度兴奋性)，而 AAV-TMSB4X 处理后恢复接近 WT 水平;(C-E)量化验证半宽度、阈值电位和振幅的改善;(F)5xFAD 小鼠皮质 RNA-seq 实验设计;(G-H)上调基因富集 “膜去极化”“离子转运调控”(与神经信号相关)，下调基因富集 “小 GTPase 信号”(如 Ras 通路)，提示 TMSB4X 通过调控神经信号和 Ras 通路缓解过度兴奋性。

全文总结

本研究利用家族性 AD(fAD)脑类器官模型，揭示了 AD 早期神经发生缺陷与 Tβ4 的干预潜力。核心发现包括：fAD 类器官呈现成熟神经元减少、Aβ 沉积增加、细胞凋亡加剧及胶质细胞异常激活等早期病理，且 TMSB4X(编码 Tβ4)在 fAD 类器官神经元和 AD 患者兴奋性神经元中均显著下调;Tβ4 处理可挽救 fAD 类器官的神经发育缺陷、减少 Aβ 生成，而在 5xFAD 小鼠中过表达 TMSB4X 能减轻淀粉样斑块、抑制胶质激活并缓解神经元过度兴奋性。

创新点在于：首次通过类器官捕捉 AD 早期神经发生异常，结合患者单细胞数据识别 Tβ4 为干预靶点，在类器官和动物模型中验证其跨物种保护作用。局限性包括类器官缺乏血管和小胶质细胞(影响微环境模拟)、批次异质性等，未来可结合血管化类器官或共培养技术优化模型。该研究为 AD 的早期机制解析和靶向治疗提供了新工具与理论基础。