近一年来，FDA和CDE先后发布了减少药物临床试验前的动物试验，而将类器官列为替代模型的指导方针，标志着类器官将在新药研发领域发挥重要的作用。Wolfram综合征（Wolfram Syndrome，WS）是一种主要由WFS1基因突变导致的隐性遗传疾病。WS患者具有严重的精神病学表现，如精神分裂、焦虑、抑郁和精神错乱等。WFS1杂合突变的携带者在人群中更为普遍，患精神疾病的风险显著增加（比非携带者高 26 倍），表明WFS1对人类心理健康具有重要意义。然而，由于缺乏对WS精神疾病发病机制的研究，目前尚未找到有效的治疗手段。
2023年2月7日，同济大学附属东方医院再生医学研究所、同济大学生命科学与技术学院、教育部“细胞干性与命运编辑”前沿科学中心李维达/张振宁和中国科学院上海营养与健康研究所邵振团队在Nature旗下精神疾病领域著名期刊Molecular Psychiatry上发表题为 Modeling disrupted synapse formation in wolfram syndrome using hESCs-derived neural cells and cerebral organoids identifies Riluzole as a therapeutic molecule 的研究成果。该研究将来源于人胚胎干细胞（hESCs）的人脑类器官和二维神经分化技术相结合，从细胞自发和非细胞自发的角度阐明了致病基因WFS1在突触形成和功能中的作用，并发现Riluzole能有效地治疗受损的突触形成和功能，并且在WS模型小鼠中也展现了较好的疗效，为治疗WS提出了潜在新药与新的策略。
研究人员首先利用人脑类器官研究了WFS1对大脑早期发育的影响，发现WFS1缺失会导致人脑类器官从第90天开始显著性的减小，进一步对人脑类器官进行免疫荧光染色发现，WFS1敲除人脑类器官中神经元凋亡水平显著增加，以上两方面重现了在WS患者中观察到的脑体积减小以及神经元丢失的临床表现。进一步，研究人员发现WFS1缺失导致在人脑类器官发育过程中星型胶质细胞比例显著减少，同时发现突触结构的数量明显减少，并且伴随着自发兴奋性突触后电流的频率出现显著性降低，这些结果表明WFS1缺失造成了突触形成和功能的受损。
图1. 人脑类器官在第60、90、170天MAP2和GFAP的免疫荧光染色
为了更加清楚地解析WFS1缺失对神经元和星型胶质细胞各自的影响，以及两者之间的相互作用，研究人员利用二维神经分化技术将hESCs分别分化为神经元和星型胶质细胞。一方面，WFS1缺失细胞自发地延迟了神经元的分化，影响了神经元的树突结构和突触形成；另一方面，通过利用星型胶质细胞和神经元共培养体系，发现WFS1敲除星型胶质细胞会非细胞自发地导致正常神经元的树突结构受损。进一步为了从机制探究WFS1缺失是如何造成树突结构受损的，研究人员利用钙离子成像技术，发现WFS1敲除神经元胞质中钙离子活动增加，接着通过激活或抑制钙离子活动，发现树突结构会同时受损或者修复，证明树突结构和突触形成受损是由于WFS1缺失引起胞质钙离子活动增加导致的。
为了进一步探究WFS1敲除星型胶质细胞是如何造成正常神经元的树突结构出现缺陷的，研究人员利用单细胞测序技术和一系列实验验证发现，WFS1敲除星型胶质细胞中谷氨酸转运体EAAT2的mRNA表达水平下降导致胞外谷氨酸水平增加，引起神经元胞质钙离子增加，从而影响了神经元的树突结构。而EAAT2转录水平的下调，是由于WFS1缺失导致了内质网应激水平增加，激活了NF-κB信号通路，从而下调了EAAT2的mRNA表达水平。
因此，针对上述发现的致病机制，研究人员探究了Riluzole的治疗效果，发现Riluzole可以逆转人脑类器官和二维神经分化系统中，WFS1缺失引起的受损的树突结构、突触形成和功能以及神经元丢失的表型。更重要的是，小鼠体内研究表明，Riluzole可以治疗WS模型小鼠中的抑郁样行为、受损的小鼠识别和空间记忆功能。
图2. WFS1缺失导致WS精神疾病的机制和治疗策略
综上，该研究不仅重现了在WS患者中观察到的临床表现，同时发现了WFS1在神经元突触形成和功能中的作用和机制，更重要的是针对上述发现的致病机制，提出并验证了Riluzole对于WS精神疾病的治疗效果，为WS精神疾病的治疗提供了新思路、新药物。
同济大学附属东方医院再生医学研究所、同济大学生命科学与技术学院、教育部“细胞干性与命运编辑”前沿科学中心李维达教授、张振宁副教授、中国科学院上海营养与健康研究所邵振研究员为本文共同通讯作者。同济大学博士生袁菲，中国科学院上海营养与健康研究所博士生李雅娜，同济大学博士生胡瑞为本文共同第一作者。李维达教授团队与临床科室紧密合作，从干细胞及类器官的疾病模拟出发，紧扣细胞治疗与新药研发两大核心思路，积极寻求优质科研成果到临床应用的高效转化。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41380-023-01987-3
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