干货｜人多能干细胞（hPSCs）赋能神经退行性疾病研究新策略

随着全球人口老龄化趋势不断加剧，阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）等神经退行性疾病（Neurodegenerative Diseases，NDDs）发病率持续上升，严重威胁人类健康，成为全球公共卫生领域亟需攻克的难题。NDDs以中枢或外周神经系统中的神经元出现持续性、不可逆性损伤为主要特征，发病机制复杂，涉及遗传变异、环境因素、衰老进程等多重因素交互影响。

传统研究方法如尸检脑组织分析、动物模型构建等在解析NDDs病理特征方面发挥了重要作用，但也存在诸如样本获取困难、动态过程捕捉不足、跨物种差异等局限性。因此，寻找更贴近人类神经系统生理状态的模型平台，成为推动神经退行性疾病研究迈向更高精度的关键所在。

近年来，基于人多能干细胞（human Pluripotent Stem Cells，hPSCs）构建的体外疾病模型逐渐成为热点，其卓越的分化能力和高度可塑性，为深入理解神经退行性疾病的分子机制、开展高通量药物筛选、推动精准治疗策略提供了全新解决方案。

神经退行性疾病研究的传统范式与局限

在过去几十年里，NDDs相关研究已锁定多个致病核心机制，包括异常蛋白聚集、突触损伤、能量代谢障碍、细胞骨架变性、炎症反应及神经元死亡等。以往主要依赖于以下两类手段：

尸检样本分析：通过分析患者死亡后的脑组织，可直观观察终末期病理特征，如β-淀粉样蛋白沉积、神经纤维缠结等。但该方法仅限于静态终点分析，无法追踪疾病发展的动态过程。

动物模型模拟：小鼠、果蝇、猪等模式生物在模拟神经功能、行为学研究方面提供了良好平台，但由于与人类存在基因调控和神经解剖结构上的显著差异，许多关键病理表现难以精准复现。

因此，亟需建立更具人类生理特征、可控性强且便于多角度研究的人源化疾病模型。

图1. 基于hPSCs的疾病建模与药效评价应用[1]

hPSCs技术的兴起为NDDs建模带来全新突破

hPSCs包括人胚胎干细胞（hESCs）和诱导多能干细胞（hiPSCs），具备强大的自我更新能力和向多种神经细胞类型分化的潜能，为神经退行性疾病的体外建模提供了独特优势。

特别是hiPSCs技术可将患者体细胞重编程为具有疾病特征的干细胞系，再经诱导分化形成具特异性病理表现的神经细胞，构建“个体化”疾病模型。同时，基因编辑技术（如CRISPR）亦可用于在健康hPSCs中精准模拟特定致病突变，从而深入探究致病机制及潜在干预靶点。

图2. iPSCs的神经谱系分化潜能[2]

基于hPSCs的神经谱系细胞与类器官分化概览

不同类型的神经细胞在NDDs中的功能失调各具特征，hPSCs的多向分化能力使其可衍生出多种神经系统关键细胞，常见分化策略如下：

表1. hPSCs的神经分化潜能

基于hPSCs的神经退行性疾病建模

前面提到，iPSC及其衍生物与供体基因组一致，为缺乏合适模型的神经退行性疾病提供了独特的体外研究工具。另外，针对散发型病例，也能通过基因编辑在hESCs或者健康人的hiPSCs上进行基因敲除或者引入致病突变，模拟病理遗传特征。此类模型的建立对阐明疾病机制和开发靶向治疗至关重要。下面将以阿兹海默症、帕金森病和亨廷顿病（Huntington’s Disease，HD）这三种最具代表性的神经退行性疾病为例，讲解其目前常用的细胞或类器官疾病模型及其对应的病理特征。

阿兹海默症（AD）

根统计，在AD患者中，散发型病例高达95%，而家族型病例仅占5%，后者与APP、PSEN1/PSEN2等基因的突变相关，而散发性AD的主要风险因子则是APOE4等位基因。AD的核心病理标志是神经元的β-淀粉样蛋白（Aβ）积累和Tau蛋白过度磷酸化导致的神经元缠结，只是这些病理特征与AD发病之间的因果联系，目前仍不清楚。此外，以往通过hPSC所获得的神经元，不仅能模拟出上面的两种核心特征，还表现出其他的病理表型，像GSK3β的激活、神经元电生理活动异常、氧化应激增强、活性氧产生增多、内质网功能障碍和线粒体异常等。除了神经元以外，研究人员还利用其他源自hPSCs的体外模型研究AD，包括神经干细胞/神经祖细胞（NSCs/NPCs）、小胶质细胞、星形胶质细胞、少突胶质细胞和脑类器官等。下面小源给各位老师整理了AD各类体外研究模型的病理特征：

表2. AD体外研究神经细胞模型及其病理特征

帕金森病（PD）

PD是仅次于阿尔茨海默病的第二大常见神经退行性疾病。大约10%的PD患者被诊断为家族性帕金森病，其余病例则归类为散发性帕金森病。PD的主要病理特征是进行性的多巴胺能（DA）神经元丧失，并伴随α-突触核蛋白的积累和路易小体的形成。基因突变，如SNCA、PARK2、PINK1和LRRK2，与PD的发病机制均密切相关，但其确切作用目前仍有待探索。由此可见，DA神经元可以说是目前研究PD病理机制和筛选潜在治疗药物最为有效和常用的体外研究模型。此外，其他神经谱系细胞，像星形胶质细胞细胞、小胶质细胞和神经干细胞等，以及3D的脑类器官模型，在PD的致病机制研究中也受到了广泛关注和应用。同样地，下面小源也给各位列举了PD这种退行性疾病研究上常用的体外模型和对应的病理表型：

表3. PD体外研究神经细胞模型及其病理特征

亨廷顿病（HD）

HD是一种常染色体显性遗传的神经退行性疾病，其特征包括进行性运动功能障碍、认知能力下降和精神障碍。HD是由位于4号染色体上的亨廷顿基因（HTT）第1外显子内CAG三核苷酸重复序列的异常扩增引起的。统计表明，CAG重复序列的长度与疾病发病年龄呈负相关，与疾病严重程度呈正相关。在病理学上，HD的标志性特征包括：突变HTT蛋白聚集、进行性纹状体变性伴中型多棘神经元（MSNs）选择性丢失、神经递质稳态破坏、线粒体功能障碍以及显著的锥体外系运动异常（如舞蹈症和肌张力障碍）。其中，纹状体中GABA能MSNs的丢失是HD最具代表性和最显著的表型。该表型特征以及其他体外研究模型的表型总结如下：

表4. HD体外研究神经细胞模型及其病理特征

看完三大NDDs的建模思路，大家是否对神经疾病的研究有了更加系统的认识啦？目前，大量研究已经证明，通过hPSCs诱导分化获得的神经元或者神经干细胞，结合基因编辑引入潜在的致病突变或者重复序列，或者直接通过NDD患者来源的iPSCs分化诱导而来的神经谱系细胞，能够有效模拟这些NDD疾病患者的特异性病理特征，甚至可以说，现如今许多被揭示的致病机制和治疗方案都是从hPSC诱导而来的体外研究模型上获得。其实，除了三大NDD以外，基于hPSC的神经元、胶质细胞等神经谱系细胞同样在脊髓小脑共济失调（SCA）和脊髓性肌萎缩症（SMA）的机制研究中大放异彩，展现出疾病特异性表型和易感性，可以用作有效且可靠的体外研究模型。

hPSC神经分化过程中需克服的关键挑战

尽管hPSCs神经分化展示出巨大应用潜力，但在实践中仍面临以下技术难点：

1.分化效率波动与细胞异质性高：难以实现高纯度、单一类型的神经细胞获取，不同hPSC来源与批次间存在明显差异。

2.功能成熟度不达标：部分诱导获得的神经元在突触形成、电生理活动等方面尚不具备生理功能，难以满足疾病建模与药效研究要求。

3.操作流程复杂化：多阶段、精细控制的诱导流程对实验人员经验与技术要求极高。

4.高成本限制：高质量培养体系、分化因子、专用基质等耗材成本昂贵，对项目预算要求较高。

专业平台如何助力突破技术瓶颈？

为解决上述问题，源井生物依托成熟的干细胞分化平台和基因编辑系统，提供从hPSCs诱导至特定神经谱系细胞的高效分化服务与定制化解决方案，涵盖以下优势：

✅ 高纯度神经细胞诱导体系

自主研发多阶段分化体系，实现高分化效率与细胞纯度；

标准化流程+实时质控，确保批次间稳定性与可重复性。

✅ 完整的功能验证体系

提供细胞形态、特异性标志物表达、电生理活性等多维度功能检测；

确保获得神经元具备成熟的生理特征，可用于高可靠性建模。

✅ 无缝连接CRISPR基因编辑

灵活实现基因敲除、敲入、点突变等多种编辑策略；

打通从遗传干预到功能验证的全链条闭环。

✅ 博士团队全程技术支持

专业科研背景，丰富项目实操经验，保障服务质量；

提供数据分析、模型优化、项目设计等全方位支持。

总结

基于人多能干细胞的神经系统疾病建模，正在逐步取代传统动物模型的主导地位，为研究阿尔茨海默病、帕金森病等复杂神经退行性疾病打开新的窗口。hPSCs的应用不仅提升了疾病研究的精准度，也极大拓宽了再生医学与神经药物研发的边界。

如果您在hPSC神经分化、hiPSC疾病建模、或CRISPR基因编辑技术方面有研究需求，欢迎与我们联系，我们将为您提供专业、高效的技术支持与定制服务，助力科研成果转化加速落地！