把三类人源细胞放在可比较的培养环境
脑内的神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞会相互影响,单独培养难以保留这些关系。美国哈佛医学院(Harvard Medical School)等机构团队建立诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)来源的三细胞共培养,比较细胞组合怎样改变神经活动和胶质状态,再引入家族性阿尔茨海默病相关神经元。
团队先分别分化三类细胞,并利用已有冻存细胞安排共培养。约在解冻后的第 20 天开始组合,主要结果采用后续 6 天共培养;这段时间与每类细胞的全部分化时长不同。平台先检查各细胞身份和培养液相容性,再进行平行单培养及共培养比较。
起始神经元、星形胶质及小胶质的比例约为 10:9:8,培养结束后约为 6:2:3。单细胞测序回收的比例还会受到细胞制备和 RNA 含量影响。研究因此结合免疫染色、蛋白和功能检测,避免仅用测序中细胞比例描述原培养组成。
培养液选择先在各类细胞单培养中比较。部分配方使小胶质细胞不能存活,另一些配方影响其形态及标志表达;即使单培养表现尚可,也需要再放入三细胞系统检验。团队最后选择能同时维持三类细胞特征的配方,说明模型质量取决于组合后的环境。
胶质细胞使神经活动和分泌反应改变
与相同条件下的神经元单培养相比,共培养神经元的树突棘密度和突触囊泡释放增加。微电极阵列(microelectrode array,MEA)记录显示,在加入胶质细胞之后,平均放电率与网络连接相关指标升高;这一变化在两个胶质遗传背景中都能观察到。
炎症反应也受到组合环境影响。共培养上清中的部分促炎细胞因子较低,对炎症刺激的反应与单独胶质培养不同。质谱分析识别到 515 种分泌蛋白,其中一些与人脑脊液中的相关蛋白重合,并在单培养和共培养之间出现差异。
不同细胞因子对刺激的反应方向有别。脂多糖条件下,共培养中的 IL-4、IL-10 等反应较强,而 IL-6、TNF 等促炎反应较低;另一种细胞因子刺激又产生不同模式。作者用各自未刺激参照计算变化,以观察培养组合怎样影响具体炎症条件。
转录分析识别出多种小胶质状态,包括具有抗原呈递、突触相关或疾病相关小胶质细胞(disease-associated microglia,DAM)特征的细胞群。共培养中,TREM2、GPNMB、APOE 和 SPP1 等蛋白增加。其中,APOE 和 SPP1 也可由星形胶质细胞贡献,研究未能确定两种细胞各自的分泌比例。
星形胶质的作用会被病变神经元环境改变
团队分别比较小胶质单培养、与神经元或星形胶质的两细胞培养,以及三细胞培养。只有存在星形胶质时,TREM2、SPP1 和 GPNMB 明显上调。刺激星形胶质反应后,TREM2 与 APOE 又减少,而 SPP1 和 GPNMB 没有同样显著变化。
引入带家族性阿尔茨海默病变异的神经元后,上清中的 β-淀粉样蛋白(amyloid-β,Aβ)增加,Aβ40、Aβ42 及 Aβ42/Aβ40 比值均升高,但共培养的胞外 Aβ 低于神经元单培养。病变神经元共培养中的树突棘密度下降,胶质炎症相关通路增加,DAM 相关基因和蛋白却减少,这两类指标的变化方向不同。
磷酸化 tau 在病变与对应野生型三细胞培养之间没有明显差异,不过三细胞培养比神经元单培养低。这说明 tau 与 Aβ 指标在当前培养比较中呈现不同反应。
另一株 APP London 变异神经元与其校正对照,也呈现部分 DAM 标志下降。研究据此讨论,较早、短期的病变神经元环境,可能抑制星形胶质促进小胶质状态变化的作用;这种解释仍针对当前培养阶段。
抑制 Aβ 生成可部分恢复标志,模型仍属早期
在野生型共培养中加入纤维状 Aβ,可重现部分标志下降。对病变神经元共培养使用 γ-分泌酶抑制剂 DAPT,则部分恢复 TREM2 和 GPNMB。两类比较支持 Aβ 对细胞间作用的贡献,也提供了可用干预实验追踪的模型指标。
图中 DAPT 相关比较采用 2 个胶质遗传背景、2 次分化及每次 2–3 个培养孔;其他分泌标志比较有不同分化次数。遗传背景、实验批次与技术孔分别报告,DAPT 处理后,两项分泌标志较未处理的病变组合升高。
作者指出,这种短期模型没有患者脑中成熟的淀粉样斑块,细胞比例和区域多样性也不完整。DAM 样特征与尸检人脑并不完全一致,后续需要延长培养并扩大转录指标。平台当前提供的是人源细胞间作用及早期疾病反应的实验环境。

窄屏可横向滑动查看完整图表。