通过在实验室中创建个体化的大脑“类器官”，研究人员揭示了微小RNA在大脑发育中的作用，并证明一种特定药物可以逆转自闭症的关键细胞指标。
斯克里普斯研究所的科学家们利用来自被诊断为罕见且严重形式自闭症谱系障碍（ASD）伴智力残疾的患者的干细胞，培养个性化的“小大脑”（或类器官）以进行进一步研究。这些实验室创建的类器官提供了关于特定基因突变如何促进自闭症谱系障碍的更深刻理解。此外，它们证明了一种名为NitroSynapsin的实验性药物可以逆转这些模型中通常与自闭症相关的一些大脑功能障碍的迹象。
“我们的研究表明，与自闭症相关的基因突变在发育过程中破坏了大脑细胞的正常平衡，”斯克里普斯研究所神经退行性新药中心的合作主任、临床神经学家以及这项新研究的高级作者斯图亚特·A·利普顿（Stuart A. Lipton，MD，PhD）说，该研究于2024年9月30日在线发表在《分子精神病学》（Molecular Psychiatry）上。
来自患者的见解
自闭症谱系障碍（ASD）是一种影响社交互动、重复行为和沟通技能的神经和发育状况。ASD的具体原因尚未完全了解；许多遗传变异已经与该障碍相关联，但每一种只占少数病例的比例。长期以来，关于ASD的研究依赖于在小鼠中模拟这种情况或检查孤立的人脑细胞，这两者都无法准确代表人脑中的复杂连接。
利普顿和他的团队专注于MEF2C单倍体不足综合症（MHS），这种是由于MEF2C基因突变导致的，伴有智力残疾的ASD的罕见且严重的变种。他们利用先进的干细胞技术将来自MHS患者的皮肤细胞转变为人类干细胞，并将其培养为小型的、毫米级的“小大脑”类器官。这使研究人员能够探索不同类型的大脑细胞如何相互作用。
利普顿指出：“我们能够复制这些患者脑部的重要元素，以检查它们的电活动和其他特征。我们甚至邀请了一些孩子来到我们的实验室，观看他们自己的小大脑，这对孩子和他们的家庭来说都是一次非常感人的体验。”
在健康的人脑和类器官中，神经干细胞分化为神经细胞（神经元），这些细胞在整个大脑中进行通信，同时还有多种胶质细胞，它们提供支持，并且最近被认为对信号传递和免疫功能至关重要。健康的大脑在增强电信号的兴奋性神经元和抑制神经元之间维持平衡。自闭症通常导致这种平衡失调，导致过度兴奋。
在来自MHS患者的类器官中，研究人员发现神经干细胞更有可能发展为胶质细胞，导致相对于神经元的胶质细胞异常过剩。特别是，MHS类器官的抑制性神经元数量低于正常。这导致小大脑中的电信号增强，类似于实际人脑中观察到的自闭症状况。
微小RNA的作用
在调查MEF2C突变如何可能导致细胞类型失衡时，利普顿的团队识别出近200个直接受到MEF2C基因影响的基因。其中，三个特定的基因尤为显著；它们并不是编码导致信使（m）RNA和蛋白质产生的DNA，而是负责特定的微小RNA分子。
微小RNA（miRNA）是小型RNA分子，它们与DNA结合以调节基因表达，而不是产生蛋白质。值得注意的是，本月，两位科学家因研究miRNA及其对细胞发育和行为的影响而获得了2024年诺贝尔生理学或医学奖。
利普顿表示：“在我们的研究中，某些miRNA似乎在引导正在发育的大脑细胞上是否演变为胶质细胞、兴奋性神经元或抑制性神经元方面至关重要。MEF2C的突变改变了这些miRNA的表达，阻止了发育中的大脑形成正确类型的神经细胞和在它们之间建立正确的连接或突触。”
来自MHS患者的早期发育大脑细胞被发现三种特定miRNA的水平降低。当团队向患者衍生的脑类器官中添加这些miRNA分子的额外副本时，小大脑以更典型的方式发育，实现了神经元与胶质细胞的更健康平衡。
可能的治疗
由于自闭症谱系障碍通常在大脑发育的胎儿阶段未被诊断，因此旨在改变初始发育的干预措施——例如纠正突变基因或引入miRNA分子以修复细胞类型失衡——目前并不可行。尽管如此，利普顿一直在研究一种不同的药物，可以帮助恢复兴奋性神经元和抑制性神经元之间的平衡，即使在发育后期。
最近，利普顿的团队测试了这种新药，利普顿和他的同事们开发并以NitroSynapsin（或EM-036）命名，评估其在从阿尔茨海默病患者细胞衍生的“小大脑”中恢复神经连接的能力。
在研究中，他们还评估了该药物是否有助于治疗MHS版本的自闭症。通过使用患者衍生的脑类器官，他们证明NitroSynapsin可以部分修正完全发育的脑类器官中细胞类型之间的失衡。这一行为有助于防止神经元的过度兴奋，恢复小大脑中的兴奋/抑制平衡，从而保护神经细胞之间的连接或突触。
进一步的研究是必要的，以确定该药物是否改善MHS患者的症状或影响其他形式的不是由MEF2C基因突变驱动的自闭症谱系障碍。利普顿建议，这种可能性是存在的，因为已知MEF2C会影响与自闭症相关的多个基因。
利普顿评论：“我们正在推进在动物模型中测试这种药物，目标是尽快过渡到人体试验。这是一个激动人心的进展。”
这项研究的共同作者，包括利普顿在内，标题为“MEF2C自闭症患者hiPSC神经元和大脑类器官中的miRNA表达和兴奋失调”，还有多莉特·特鲁德勒（Dorit Trudler）、斯瓦加塔·加哈塔克（Swagata Ghatak）、迈克尔·布拉（Michael Bula）、玛丽亚·塔兰托瓦（Maria Talantova）、梅利莎·卢瓦诺斯（Melissa Luevanos）、塞尔吉奥·拉布拉（Sergio Labra）、提塔斯·格拉巴乌斯卡斯（Titas Grabauskas）、艾米莉·沙尔赫尔（Emily Schahrer）、尼玛·多拉塔巴迪（Nima Dolatabadi）、克莱尔·巴克（Clare Bakker）、帕斯·帕特尔（Parth Patel）和拉杰什·阿姆巴苏丹（Rajesh Ambasudhan）来自斯克里普斯；詹姆斯·帕克（James Parker）、萨拉·摩尔·诺韦拉尔（Sarah Moore Noveral）、真由·特拉纳卡（Mayu Teranaka）、凯文·洛佩斯（Kevin Lopez）、阿卜杜拉·苏尔坦（Abdullah Sultan）和中西奈（Nobuki Nakanishi）来自圣迭戈的辛提伦研究所；阿格尼丝·陈（Agnes Chan）、龙旭克·崔（Yongwook Choi）、韦林（Wei Lin）和尼古拉斯·J·斯科克（Nicholas J. Schork）来自亚利桑那州凤凰城的转化基因组研究所；川口瑞纪（Riki Kawaguchi）和丹尼尔·H·格什温德（Daniel H. Geschwind）来自加州大学洛杉矶分校；帕维尔·斯坦基维茨（Pawel Stankiewicz）来自贝勒医学院；伊万·加西亚-巴塞特斯（Ivan Garcia-Bassets）、皮奥特·科兹比亚尔（Piotr Kozbial）和迈克尔·G·罗森菲尔德（Michael G. Rosenfeld）来自加州大学圣迭戈分校；以及辛法伊·陈（Shing Fai Chan）来自桑福德·伯纳姆·普雷比斯医学发现研究所，目前在印第安纳大学-普渡大学。
这项研究得到了国立卫生研究院（R35 AG071734，RF1 AG057409，R01 AG056259，R01 DA048882，R01 NS086890和DP1 DA041722）、加利福尼亚再生医学研究所（DISC2-11070）和自闭症发声公司（博士后奖学金拨款#11721）的资助。
