完整类器官三维结构超分辨成像技术解码神经发育障碍病理机制
2026-01-08 来源:本站 点击次数:71LIS1无脑回畸形作为一种神经发育障碍，其临床严重程度的差异性机制一直未被完全阐明。本研究创新性地结合患者来源额叶类器官与先进光学成像技术，首次实现了疾病严重程度的体外可视化建模。通过高分辨率显微成像系统，研究团队观察到不同严重程度类器官在脑室区结构、细胞排列和神经元分布上的显著差异，为理解疾病表型差异提供了直观证据。研究特别注重光学成像技术的创新应用：利用全组织光片显微镜技术，实现了完整类器官的三维结构解析；通过免疫荧光多重标记，同步展示了微管稳定性、细胞连接蛋白和应激标志物的空间分布；结合WNT-GFP报告基因系统，动态监测了信号通路活性的时空变化。这些成像方法的综合运用，使研究能够在亚细胞水平捕捉到疾病相关病理变化。
本研究由Lea Zillich、Matteo Gasparotto、Andrea Carlo Rossetti、Olivia Fechtner等15位主要研究者共同完成，论文题为《Capturing disease severity in LIS1-lissencephaly reveals proteostasis dysregulation in patient-derived forebrain organoids》，于2025年10月在《Nature Communications》期刊正式发表。
重要发现
01疾病严重程度分级与类器官模型构建
研究团队从63例LIS1无脑回畸形患者中筛选出7例代表不同严重程度（Dobyns分级1级（重度）至5级（轻度））的病例，将其体细胞重编程为诱导多能干细胞（iPSCs），并进一步培育成额叶类器官。通过这种分层设计，研究成功模拟了从轻度皮层增厚到近乎完全无脑回畸形的临床严重谱系。
利用亮场成像、全组织澄清技术和激光片层扫描显微镜对类器官进行系统分析，发现严重程度相关的脑室区结构破坏。轻度类器官尚能形成规则的神经上皮环状结构，而重度类器官则表现为边缘不规则、细胞向外突起。免疫组化分析显示，重度类器官中神经元带显著增加，提示存在早熟神经分化。对脑室区六个形态参数的量化分析进一步证实，严重程度越高，脑室区结构破坏越显著。
03单细胞转录组学解析细胞命运改变
通过单细胞RNA测序技术，研究团队在类器官中鉴定出包括神经上皮细胞、放射状胶质细胞、中间祖细胞和各类神经元在内的10个主要细胞群体。严重病例中出现了一个独特的过渡性放射状胶质细胞群体，同时伴随神经祖细胞减少和中间神经元增加的比例变化。伪时间分析证实了患者类器官中存在早熟的神经上皮向放射状胶质细胞向神经元的转化轨迹。
04蛋白质组学揭示LIS1蛋白剂量效应
采用无标记质谱技术对皮质祖细胞进行蛋白质组学分析，发现LIS1蛋白水平随疾病严重程度呈渐进性下降。虽然重度组患者的临床表型更为严重，但其祖细胞中的LIS1蛋白水平略高于中度组，而转录水平呈现相反模式，提示存在转录后调控。加权基因共表达网络分析鉴定出两个与严重程度相关的蛋白模块，其中蓝色模块与RNA剪接、钙粘蛋白结合和未折叠蛋白结合相关，表明蛋白质稳态失衡是LIS1无脑回畸形的重要特征。
05光学成像技术验证分子通路异常
通过免疫荧光染色和图像分析，研究发现微管稳定性标志物乙酰化α-微管蛋白的纤维密度随严重程度增加而显著降低，证实了微管 destabilization 是LIS1无脑回畸形的核心表型。
同时，N-钙粘蛋白的分布也呈现严重程度相关的错误定位梯度，从轻度到重度条件下，其信号从紧密的顶端表面分布逐渐变得弥散。共聚焦显微镜分析显示，WNT信号通路活性随严重程度增加而降低，且细胞分裂平面方向异常比例增加，进一步证实了WNT通路在疾病发生中的关键作用。
创新与亮点
01突破性成像技术应用
本研究成功将多种先进光学成像技术应用于脑类器官分析，特别是在三维结构成像方面取得重要突破。通过全组织澄清技术与激光片层扫描显微镜相结合，实现了对完整类器官内部结构的无损观测，避免了传统切片技术造成的信息丢失。这种成像方法能够清晰显示脑室区形态、神经元分布和蛋白定位，为神经发育障碍研究提供了强有力的技术支撑。
研究团队通过高分辨率免疫荧光成像，首次在患者来源类器官中直观展示了微管稳定性破坏的严重程度梯度。利用乙酰化α-微管蛋白特异性抗体标记，结合定量图像分析，精确量化了放射状胶质细胞基底过程中微管纤维的密度变化。这种显微成像方法不仅证实了LIS1蛋白在微管稳定中的核心作用，还为疾病严重程度评估提供了可靠的形态学标志。
03活细胞成像技术追踪动态过程
研究利用WNT-GFP报告基因系统，实时监测了类器官发育过程中WNT信号通路的时空动态变化。通过活细胞成像技术，发现严重程度相关的WNT信号活性降低主要发生在脑室区顶端区域，这一发现为理解放射状胶质细胞行为异常提供了重要线索。此外，通过对分裂细胞的角度测量，研究揭示了LIS1突变如何通过影响细胞分裂方向进而导致皮层结构异常。
04多模态图像整合分析
本研究创新性地将结构成像、分子成像和功能成像数据进行了整合分析。通过配准不同模态的图像信息，建立了从微观细胞结构到宏观组织形态的跨尺度关联，为理解LIS1无脑回畸形的发病机制提供了系统视角。这种多模态成像策略不仅提高了疾病模型的可信度，也为未来神经发育障碍的影像诊断提供了新思路。
总结与展望
本研究通过患者来源的额叶类器官模型，成功模拟了LIS1无脑回畸形的严重程度谱系，并综合运用多组学分析和先进成像技术，揭示了疾病发生发展的关键机制。研究发现，微管稳定性破坏、细胞连接异常和WNT信号通路受损构成了核心病理轴，而蛋白质稳态失调作为新发现的机制，与疾病严重程度密切相关。这些发现不仅深化了对LIS1无脑回畸形发病机制的理解，也为相关神经发育障碍的治疗提供了新靶点。
未来研究可进一步优化类器官培养系统，提高模型的复杂性和成熟度，以更好地模拟晚期发育事件。同时，整合更先进的活体成像技术，如光片显微镜和超分辨率显微镜，将有助于实时追踪细胞行为和分子事件动态。在转化应用方面，基于成像表型的高通量药物筛选平台有望加速治疗策略开发，而蛋白质稳态调节剂的深入研究可能为神经发育障碍提供新的治疗思路。此外，这种严重程度分层的研究策略可推广至其他遗传异质性神经疾病，为精准医疗时代的个体化治疗提供重要参考。
论文信息声明：本文仅用作学术目的。
Zillich L, Gasparotto M, Rossetti AC, Fechtner O, Maillard C, Hoffrichter A, Zillich E, Jabali A, Marsoner F, Artioli A, Wilkens R, Schroeter CB, Hentschel A, Witt SH, Melzer N, Meuth SG, Ruck T, Koch P, Roos A, Bahi-Buisson N, Francis F, Ladewig J. Capturing disease severity in LIS1-lissencephaly reveals proteostasis dysregulation in patient-derived forebrain organoids. Nat Commun. 2025 Oct 13;16(1):9091.
DOI:10.1038/s41467-025-64980-0.