【帕金森病建模工具篇】多巴胺能神经元及中脑类器官

帕金森病（Parkinson's Disease, PD）是一种常见的神经退行性疾病，以中脑黑质多巴胺能神经元（Dopaminergic Neurons, DNs）的进行性丧失及路易体的异常累积为主要病理特征。尽管目前的治疗方法可以缓解症状，但尚无根治手段。为了更深入地理解疾病机制并开发有效的治疗方案，科学家开发了多种PD研究模型。从早期的动物模型到近年来基于诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）的新型模型技术，包括DNs模型和中脑类器官（Midbrain Organoids, MBOs）模型，已成为研究PD的强大工具。

https://doi.org/10.1002/adhm.202303041

PD的研究模型

动物模型曾是PD研究的核心工具，包括神经毒素模型（如6-OHDA和MPTP）和基因修饰模型（如SNCA和LRRK2），为疾病机制的初步解析提供了重要信息。然而，由于动物和人类在神经解剖、基因组和免疫系统上的显著差异，动物模型难以完全再现PD的复杂特征。此外，许多在动物模型中表现良好的潜在药物，往往在临床试验中未能取得预期效果。这些局限性促使研究者转向人源化的研究模型，以提升研究的生物相关性和临床转化潜力。

FDA近年来积极推动新替代方法（NAMs），以减少对动物实验的依赖。2024年10月7日，FDA发布的主题报告详细阐述了NAMs在监管决策中的潜在应用与指导方向，旨在替代（Replace）、减少（Reduce）和优化（Refine）动物实验，即3R原则。根据现行法规和全球指南，FDA明确允许并积极鼓励以科学为基础的非动物实验方法替代传统动物实验。iPSCs衍生的细胞和类器官作为NAMs的重要组成部分，可以通过提供与人类生物学更相关的数据，弥补动物模型的局限，已经受到全球范围内的支持与推广。

https://www.fda.gov/media/182478/download?attachment

• DNs模型

DNs模型通过将体细胞重编程为iPSCs，并进一步分化为DNs，直接再现PD中受损的核心细胞类型。该模型既可以使用患者来源的细胞，反映个体特定突变对DNs的影响，也可以采用正常健康个体的细胞，研究健康状态下的神经元功能。此外，iPSCs技术可以实现长期培养，为动态观察疾病的进展和开发高通量药物筛选平台提供可能性。

iPSCs分化为DNs的流程

Chung等利用PD患者iPSCs分化的DNs，发现PARK2和PINK1基因突变会导致线粒体功能障碍、α-突触核蛋白（α-syn）异常积累以及神经元对氧化压力的敏感性，这些病理变化形成了一个恶性循环，进一步加剧了PD的进展。Lin等则利用该模型发现α-syn过表达导致D2受体功能下降及神经元放电异常，D2受体激动剂喹吡罗能恢复这些异常，揭示了PD早期病理机制及D2受体激动剂的潜在治疗作用。

• MBOs模型

MBOs是一种由iPSCs生成的三维组织结构，通过模拟中脑发育过程，形成了包括DNs、星形胶质细胞和小胶质细胞在内的多种细胞类型的复杂体系。与二维培养的DNs相比，MBOs具有更高的生理相关性，能够更真实地模拟细胞间的相互作用和组织微环境，为研究PD核心病理提供了理想平台。

https://doi.org/10.1038/s41531-024-00799-8

iPSC生成MBOs的流程

Kano等通过患者来源iPSCs分化的MBOs发现，Parkin突变引起的星形胶质细胞功能障碍可能是导致DNs非自主性死亡的关键因素。在针对α-syn突变的研究中，Becerra-Calixto等利用MBOs发现，α-syn在路易小体中的逐步累积与DNs的丧失及凋亡密切相关。Zagare等利用MBOs模型，通过单细胞RNA测序验证了其在发育路径和细胞组成上与人类胚胎中脑的高度相似性，进一步证明了MBOs作为PD研究工具的巨大潜力。

ACROBiosystems百普赛斯特别推出了针对PD研究的前沿解决方案：iPSC来源的多巴胺能神经元和中脑类器官。这些高质量的研究工具可提供更贴近人类病理的PD模型，助力疾病机制研究和药物筛选，加速基础与临床研究的转化。

• 自发放电活性经微电极阵列（MEA）验证

Human iPSC-Derived Dopamine Neurons (Cat. No. CIPC-DDC001) cultured on MEA plates show strong spontaneous firing with regular burst patterns, confirming successful network formation and functional connectivity, suitable for neurophysiological research.

• 多标志物表达：TH, MAP2, FOXA2和OTX2

The midbrain organoids (Cat. No. CIPO-MBWL001K) exhibit high expression of TH (dopaminergic neurons), MAP2 (mature neurons), as well as FOXA2 and OTX2 (dopaminergic progenitor cells) on day 37.

• 优于大脑类器官的TH和FOXA2表达水平

On day 37, midbrain organoids show significantly higher expression of TH and FOXA2 compared to cerebral organoids (Cat. No. CIPO-BWL001K).

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参考文献

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5. Kano M, Takanashi M, Oyama G, et al. Reduced astrocytic reactivity in human brains and midbrain organoids with PRKN mutations[J]. npj Parkinson's Disease, 2020, 6(1): 33. https://doi.org/10.1038/s41531-020-00137-8

6. Becerra-Calixto A, Mukherjee A, Ramirez S, et al. Lewy body-like pathology and loss of dopaminergic neurons in midbrain organoids derived from familial parkinson’s disease patient[J]. Cells, 2023, 12(4): 625. https://doi.org/10.3390/cells12040625

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