这部开创性的作品名为”人类神经网络模型揭示了 ALS 和 FTLD 中的 NPTX2 病理学” 由 Marian Hruska-Plochan 博士在 Prof. Dr. 中领导 Magdalini Polymenidou位于瑞士苏黎世大学定量生物医学系的实验室。

该研究是与苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系、苏黎世大学分子生命科学系、SIB瑞士生物信息学研究所、脑研究所和神经病理学研究所、捷克共和国布尔诺马萨里克大学、英国伦敦大学学院神经病学研究所和瑞士伯尔尼大学NCCR RNA和疾病技术平台合作完成的。

麦克斯韦生物系统公司的 HD-MEA 该技术被用于对这项工作中开发的诱导多能干细胞（iPSC）衍生神经元细胞系进行功能表征。凭借这些 HD-MEA 提供的高分辨率和高数据质量，可以以前所未有的细节提取这些神经元的活性，访问网络、细胞和亚细胞特征。这些结果为证实这些神经元的电生理活性做出了重大贡献，揭示了已开发的互联网络和协调射击。

Hruska-Plochan博士强调说：“MaxOne HD-MEAS允许我们同时进行多次记录，后来我们不仅能够分析神经元的网络属性，还能够分析单细胞指标。”

研究 TDP-43 病理学面临的挑战

为什么 TDP-43，它与神经退行性疾病有何关系？

TDP-43 是一个 RNA 结合蛋白 它积聚在神经退行性疾病（包括肌萎缩性侧索硬化症（ALS）和额睑叶痴呆（FTLD）患者的神经元中，患者患有严重的运动和认知障碍。在健康细胞中，TDP-43 主要位于细胞核中，在那里它调节 处理数百个 RNA 靶标。在患病细胞中，TDP-43 形成有毒聚集体，导致其正常功能丧失，影响其 RNA 靶标，从而干扰细胞功能。

动物模型中无法直接研究与TDP-43诱发的病理有关的人体特异机制。这突出了 需要神经变性的人体细胞模型 可重复且稳定 体外。这样的模型可以帮助科学家找出导致疾病的原因及其进展情况，这是疗法开发的关键。

科学家面临哪些挑战？

近年来，开发了iPSC衍生模型，目的是了解神经退行性疾病。但是，对来自 TDP-43 失调患者的 iPSC 衍生神经元的研究表明 几乎没有 TDP-43 病理学，可能是由于培养的神经元处于早期成熟状态。

为了应对这一挑战，Hruska-Plochan博士及其同事开发了一种新的干细胞模型，该模型能够提供 崛起为功能神经元网络。他们使用该模型研究 TDP-43 病理学，发现了神经毒性的新途径，为潜在的治疗靶标打开了大门。

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生成新的人体细胞模型

新的细胞模型是如何开发的？

首先，作者对人体皮肤成纤维细胞进行了重新编程以衍生iPSC。这些 iPSC 是根据其菌落形态手动选择的。这个过程生成了一个 神经干细胞系 被称为诱导菌落形态学神经干细胞（ICOmonSCS），它可以在神经元和神经胶质细胞中分化。

为了验证他们的模型，他们使用了单细胞 RNA 测序 (scRNA seq) 进行分析 单个细胞中的基因表达。这种技术使科学家能够检查每个细胞的基因组成或转录特征，从而揭示细胞群的多样性和复杂性。尽管缺乏三维器官样结构，但他们发现了各种神经元和神经胶质细胞类型， 可与人脑和大脑类器官中的类器官相媲美 — 研究细胞功能、发育和疾病的模型中的一个重要特征。

下一步依赖于研究ICOmonSCS衍生的细胞是如何成熟和形成突触连接的。通过使用特定的标记标记3个月大的培养物中的细胞，作者确定了神经元、神经胶质细胞和突触结构。此外，透射电子显微镜显示出典型的突触形态。但是，仍然存在一个问题—— 这些细胞有功能活性吗？

进行了双光子钙成像，揭示了稀疏的自发活动模式。为了进一步证实这种活性，作者进行了全细胞膜片钳实验，他们观察到ICOMONSC衍生的神经元包含电压依赖通道，并且是 电生理活性。

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HD-Meas 揭示了功能特征

但是神经元是否成熟并发展出相互关联的网络？他们在一起开枪吗？

为了回答这些问题，将细胞培养物镀在 MaxOne 高密度微电极阵列 (HD-MEA) 位于 不同的时间点 分化后，允许在录制之前重新连接一个月。使用 MaxLab Live 软件，各种指标，包括 网络到亚细胞的分辨率，进行了测量，以表征和比较不同成熟阶段（年轻、中、老）的神经元培养。

在使用MaxOne HD-MEAS评估的指标中，作者发现，与旧培养相比，年轻培养物的爆发活性较低，而且随着时间的推移，自发活性会增加，发育过程中的分支长度也更长。这些发现表明 成熟度提高 衰老的 Icomonsc 衍生神经元，并揭示了 功能神经元网络的形成，作者称其为 iNET。

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INET 中的 TDP-43 过度表达揭示了新的 RNA 靶标

有了强大的模型，接下来会发生什么？

先前的研究表明，来自FTLD患者的皮质细胞中只有不到2％在 TDP-43 中表现出病理改变。为了复制这种现象，作者人为地 增加了 INET 中 TDP-43 的表达 使用慢病毒载体。他们观察到一个 受感染神经元的数量逐渐减少，表明过度表达 TDP-43 会导致其聚集和分裂，事实证明对神经元有毒。

使用 scRNA-seq，作者在具有 TDP-43 过度表达和病理学的 iNET 中发现了独特的转录特征。随着时间的推移， TDP-43 的异常水平导致许多基因的表达发生变化。值得注意的是，这些基因包括 STMN2 和 UNC13A，TDP-43 的已知人类特异性 RNA 靶标。

通过分析先前来自对照组和 FTLD 患者大脑样本的数据，有可能将其他失调的 RNA 确定为 TDP-43 结合靶标，而绝大多数 FTLD 患者的结合发生了变化。

与先前从 ALS-FTLD 患者大脑中获得的 scrna-seq 数据集中，这些新发现的 RNA 靶标的表达也发生了变化，与 iNETS 神经元中的 TDP-43 过度表达类似。

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NPTX2 作为 TDP-43 病理的新潜在治疗靶标

这些新的RNA靶标中是否有任何脱颖而出？

为了探讨这个问题，作者比较了iNET和患者scrna-seq数据集。他们找到了 神经元 pentraxin 2 (NPTX2) 成为 最明显的是上调的 RNA，表明在 TDP-43 病理学中可能起作用。 NPTX2 编码突触蛋白 NPTX2，其水平由 TDP-43 与 RNA 结合控制。

有趣的是，在 iNET 中过度表达 TDP-43 会导致 NPTX2 的异常积累。但是，不仅 TDP-43 的更高表达导致了这种效应——使用慢病毒来抑制或降低 TDP-43 的表达水平也导致 NPTX2 水平的增加。值得注意的是，这两个结果都与ALS-FTLS患者大脑中发现的转录组变化有相似之处。

作者并没有就此止步——他们发现，TDP-43 过度表达造成的有害影响比仅由 NPTX2 表达增加造成的有害影响更为严重。这凸显了以下的作用 NPTX2 是 TDP43 驱动毒性的下游贡献者之一。因此，通过使用击倒技术和 校正 NPTX2 等级 在过度表达 TDP-43 的 inET 中，他们能够 救援细胞 来自 TDP-43 诱发的神经变性。

这些发现的意义是什么

这项研究强调了两项重大突破：开发了一个 强大的全新人体细胞模型 以及在游戏中发现了一位新玩家 毒性途径 导致 TDP-43 病理中的神经变性。

鉴于迫切需要人体细胞模型来研究神经退行性疾病，ICOmonSC和衍生的iNET为揭示与这些疾病有关的人类特征提供了有前途的工具。

它们适用于使用 HD-MEAS 研究网络连接和轴突跟踪。此外，它们不同的神经元和神经胶质群构成了它们，反映了人脑和大脑类器官中的神经元和神经胶质群 对药物筛选和开发很有价值。

过度表达 TDP-43 的 INET 与患者大脑之间的转录特征的相似之处增强了它们作为人类疾病模型的相关性，它们的比较使作者得以识别 NPXT2 作为一种值得进一步探索的蛋白质。

总体而言，作者提出 NPTX2 作为 TDP-43 的关键神经元靶标，这表明其异常增加可能导致ALS/FTLD中神经元死亡的病理级联。NPTX2 以一种形式出现 TDP-43 病理的潜在治疗靶标，还有翻译自的蛋白质 STMN2 和 UNC13A 核糖核酸。