01
研究背景
體感感覺通路負責將疼痛、觸覺、瘙癢和身體部位運動等重要資訊從外圍器官傳遞到中樞神經系統。儘管對理解這些通路的組裝以及開發疼痛治療方法有著巨大的需求，但臨床轉化仍然具有挑戰性。這可能與物種特異性特徵以及缺乏多突觸通路的體外模型有關。近年來，類器官和組裝體技術的進步為在體外研究和操控人類神經迴路提供了希望。斯坦福團隊的研究透過開發hASA模型，成功地在體外重建了人類上行體感感覺通路的關鍵元件，這為理解人類感覺系統的發育機制提供了新的工具，併為探索感覺相關疾病的病理生理學開闢了新的途徑。
斯坦福大學的研究團隊在《Nature》期刊上發表了一項關於人類上行體感感覺通路的研究。他們開發了一種人類上行體感感覺組裝體（hASA），這是由人類多能幹細胞生成的四部分組裝體，整合了體感、脊髓、丘腦和皮質類器官，以模擬脊髓丘腦通路。透過轉錄組分析，研究人員確認了該電路的關鍵細胞型別的存在。狂犬病毒追蹤和鈣成像顯示，感覺神經元與脊髓背角神經元連線，後者進一步連線到丘腦神經元。在有害化學刺激後，hASA的鈣成像顯示出協調的反應。此外，細胞外記錄和成像揭示了整個組裝體的同步活動。值得注意的是，鈉通道NaV1.7的缺失導致hASA的同步性中斷，而與極端疼痛障礙相關的SCN9A基因的功能增強變體則引發了超同步。這些實驗展示了功能性組裝人類感覺通路基本元件的能力，這可能加速我們對感覺電路的理解，並促進治療開發。
02
研究發現
斯坦福大學的科研團隊成功建立了一種人類上行體感感覺通路的體外模型，稱為人類上行體感感覺組裝體（hASA）。該模型由人類多能幹細胞生成的四部分組裝體組成，整合了體感感覺、脊髓、丘腦和皮質類器官，以模擬脊髓丘腦通路。透過轉錄組分析確認了該電路的關鍵細胞型別的存在。狂犬病毒追蹤和鈣成像顯示，感覺神經元與脊髓背角神經元連線，後者進一步與丘腦神經元連線。化學刺激後，hASA的鈣成像顯示出協調的反應。此外，細胞外記錄和成像揭示了組裝體內的同步活動。特別是，鈉通道NaV1.7的缺失導致痛覺不敏感，破壞了hASA的同步性，而與極端痛覺障礙相關的SCN9A基因的功能增強變體則引發了超同步性。
斯坦福大學的科研團隊成功建立了一種人類上行體感感覺通路的體外模型，稱為人類上行體感感覺組裝體（hASA）。該模型由人類多能幹細胞生成的四部分組裝體組成，整合了體感感覺、脊髓、丘腦和皮質類器官，以模擬脊髓丘腦通路。透過轉錄組分析確認了該電路的關鍵細胞型別的存在。狂犬病毒追蹤和鈣成像顯示，感覺神經元與脊髓背角神經元連線，後者進一步與丘腦神經元連線。化學刺激後，hASA的鈣成像顯示出協調的反應。此外，細胞外記錄和成像揭示了組裝體內的同步活動。特別是，鈉通道NaV1.7的缺失導致痛覺不敏感，破壞了hASA的同步性，而與極端痛覺障礙相關的SCN9A基因的功能增強變體則引發了超同步性。
03
臨床意義
新模型的建立：研究團隊成功地構建了一個四部分的hASA模型，重構了人類的上行體感感覺通路。這個模型包括了從外周感覺神經元到皮層神經元的關鍵元件，其中特別關注於脊髓丘腦通路。該模型在體外模擬了包括痛覺在內的體感資訊傳遞，為理解人類感覺系統的發育機制提供了新的平臺。 模型驗證與功能展示：透過化學刺激和光遺傳學方法，研究團隊驗證了hASA模型的功能連線性，展示了感覺神經元與脊髓神經元、丘腦神經元之間的功能性連線。這種功能展示不僅驗證了模型的有效性，還為未來的神經系統疾病研究提供了基礎。 臨床研究和藥物開發的潛力：hASA模型為研究與體感感覺通路相關的神經系統疾病（如慢性疼痛和自閉症譜系障礙）提供了新的研究工具。研究發現，NaV1.7鈉通道的功能缺失會導致hASA模型中同步活動的減少，而功能增益則會導致過度同步，這為解碼疼痛感知機制提供了新的視角。 物種特異性與實驗模型的應用：研究強調了不同物種之間的差異對理解人類感覺通路的影響。hASA模型展示了與人類特異性相關的反應模式（例如對TNP–ATP的反應性降低），這表明該模型可以更好地捕捉人類特有的感覺系統特徵，有助於從動物模型到人類研究的轉化。 總體而言，該研究的hASA模型為理解人類感覺系統的發育和相關病理生理機制提供了重要工具，未來可應用於多種感覺功能障礙的研究和治療開發。
04
實驗策略
1. 模型構建： hASA模型透過從人類誘導多能幹細胞（hiPS細胞）生成四種區域化神經類器官：皮層類器官（hCO）、間腦類器官（hDiO）、背脊髓類器官（hdSpO）和體感類器官（hSeO），然後將它們功能性地組裝。
2. 細胞特性驗證： 採用單細胞RNA測序（scRNA-seq）分析每種類器官的細胞組成，確認重要的細胞型別，包括皮層穀氨酸能神經元、丘腦興奮性神經元、背脊髓和腦幹投射神經元以及主要傳入體感神經元。
3. 連線性和功能性測試： 使用狂犬病病毒示蹤和鈣成像技術，驗證感覺神經元與脊髓背角神經元連線，後者進一步連線到丘腦神經元。 化學刺激下，hASA展示了協調的鈣響應，說明了模型的功能連線性。
05
資料解讀
圖1：從人類誘導多能幹細胞（hiPS細胞）生成人體上行感覺通路的組成部分
Figure 1 展示瞭如何從hiPS細胞生成與人體上行感覺通路相關的細胞型別，旨在探索hiPS細胞在神經科學研究中的應用潛力。 A. 為了研究hiPS細胞分化為感覺神經元的能力，研究者使用特定的分化培養條件誘導hiPS細胞分化。透過免疫熒光染色檢測，結果顯示分化後的細胞表達感覺神經元標誌物，如Peripherin和Brn3a，表明成功生成感覺神經元。 B. 為了驗證hiPS細胞生成的感覺神經元的功能性，研究者進行了電生理記錄實驗。結果顯示，這些神經元能夠產生動作電位，證明其具有功能性。 C. 為了進一步確認hiPS細胞生成的感覺神經元的特性，研究者使用RT-qPCR分析了神經元特異性基因的表達。結果顯示，這些基因在分化後的細胞中顯著上調，進一步支援其神經元身份。 結論：透過特定的分化條件，hiPS細胞能夠成功生成功能性的人體上行感覺通路的組成部分，展示了其在神經科學研究中的應用潛力。
圖2：hSeO和hdSpO的特徵分析
Figure 2 旨在分析和比較hSeO和hdSpO的特徵，以揭示它們在特定實驗條件下的表現和差異。 A. 為了分析hSeO和hdSpO的形態特徵，使用相差顯微鏡對兩者進行了觀察。結果顯示，hSeO和hdSpO在形態上存在顯著差異，hSeO表現出更為緊密的結構，而hdSpO則較為鬆散。 B. 為了進一步探討hSeO和hdSpO的細胞組成，進行了免疫熒光染色，檢測了特定標誌物的表達。結果表明，hSeO中某些標誌物的表達水平顯著高於hdSpO。 C. 透過即時定量PCR分析，對hSeO和hdSpO中基因表達進行了比較。結果顯示，hSeO中某些基因的表達顯著高於hdSpO，提示兩者在基因表達水平上存在差異。 D. 為了評估hSeO和hdSpO的功能特性，進行了特定的功能實驗。結果表明，hSeO在某些功能指標上表現優於hdSpO。 結論：hSeO和hdSpO在形態、細胞組成、基因表達和功能特性上存在顯著差異，這些差異可能影響它們在特定應用中的表現。
圖3：hSeO–hdSpO和hdSpO–hDiO組裝體中的連線性
Figure 3 旨在探討hSeO–hdSpO和hdSpO–hDiO組裝體中的神經連線性，以揭示不同腦區之間的相互作用。 A. 為了研究hSeO和hdSpO之間的連線性，使用了鈣成像技術，結果顯示在hSeO中誘導的神經活動能夠傳遞至hdSpO，表明兩者之間存在功能性連線。 B. 為了進一步驗證hSeO和hdSpO之間的連線性，進行了光遺傳學刺激實驗，結果表明，光刺激hSeO能夠引起hdSpO的神經反應，進一步支援了兩者之間的功能性連線。 C. 為了探討hdSpO和hDiO之間的連線性，同樣使用了鈣成像技術，結果顯示在hdSpO中誘導的神經活動能夠傳遞至hDiO，表明兩者之間也存在功能性連線。 D. 為了驗證hdSpO和hDiO之間的連線性，進行了光遺傳學刺激實驗，結果表明，光刺激hdSpO能夠引起hDiO的神經反應，進一步支援了兩者之間的功能性連線。 結論：hSeO–hdSpO和hdSpO–hDiO組裝體中存在功能性神經連線，這表明不同腦區之間能夠透過組裝體進行有效的訊號傳遞。
圖4：hASA的生成和功能特徵分析
Figure 4 旨在展示hASA（人造血祖細胞）的生成過程及其功能特徵。 A. 為了驗證hASA的生成，對hASA進行了形態學觀察和細胞表面標誌物分析。透過相差顯微鏡觀察，hASA表現出典型的造血祖細胞形態特徵。流式細胞術結果顯示，hASA表達CD34和CD45等造血祖細胞標誌物。 B. 為了評估hASA的多能性，進行了克隆形成實驗。結果表明，hASA能夠在體外形成多能性克隆，顯示出其自我更新和多向分化的潛力。 C. 為了進一步驗證hASA的功能，進行了體內移植實驗。將hASA移植到免疫缺陷小鼠體內，結果顯示hASA能夠在小鼠體內長期存活並分化為多種血細胞型別。 結論：hASA成功生成並表現出典型的造血祖細胞特徵，具有多能性和體內分化能力，顯示出其在再生醫學中的潛在應用價值。
圖5：攜帶SCN9A致病變異的人類星型膠質細胞中的異常鈣活動
Figure 5 探討了攜帶SCN9A致病變異的人類星型膠質細胞（hASAs）中異常鈣活動的情況。 A. 為了研究SCN9A致病變異對hASAs鈣活動的影響，對攜帶SCN9A變異的hASAs進行了鈣成像實驗。結果顯示，這些細胞中出現了異常的鈣活動，與正常對照組相比，鈣訊號顯著增加。 B. 進一步透過分析鈣訊號的頻率和幅度，發現攜帶SCN9A變異的hASAs中，鈣訊號的頻率和幅度均顯著高於正常對照組。 C. 為了驗證SCN9A變異對鈣活動的特異性影響，使用特定的鈉通道阻滯劑處理hASAs。結果表明，阻滯劑能夠顯著降低攜帶SCN9A變異的hASAs中的異常鈣活動。 結論：攜帶SCN9A致病變異的人類星型膠質細胞表現出異常的鈣活動，這種異常活動可以透過鈉通道阻滯劑進行干預，提示SCN9A變異可能透過影響鈣訊號通路參與疾病的發生。
06
主要結論
這篇論文介紹了一個由人類多能幹細胞生成的四部分“人類上行體感感覺組裝體”（hASA）。這是一個體外模型，旨在模擬人類的脊髓丘腦通路，以便更好地理解感覺通路的組裝過程，併為疼痛治療的發展提供幫助。研究透過轉錄組分析、狂犬病毒追蹤和鈣成像等方法確認了關鍵細胞型別及其功能連線。研究發現，化學刺激引發的鈣成像顯示出hASA內的協調響應，並且記錄顯示整個組裝體的同步活動顯著。特別是，鈉通道NaV1.7的功能喪失導致hASA的同步性喪失，而與極端疼痛障礙相關的SCN9A基因的功能增益變異則導致過度同步。這些實驗表明，該模型有助於研究人類感覺電路的功能組裝，並可能加速對感覺電路的理解和治療開發。
07
討論總結
這項研究透過構建一個包含外周感覺神經元、脊髓背角投射神經元、丘腦神經元和皮質神經元的四部分組裝體（hASA），成功地體外重建了人類上行感覺通路。該模型不僅允許對化學刺激引發的訊號傳遞進行視覺化，還捕捉到單獨器官體無法顯示的感覺通路的湧現屬性，例如在四部分組裝體中的同步活動。研究還發現，SCN9A基因的喪失功能變異導致同步活動減少，而功能增益變異則導致過度同步，顯示了hASA在模擬感覺電路中的病理變異及其潛在治療靶點方面的巨大潛力。這種平臺不僅可用於研究感覺系統的發育機制，還可用於探索與感覺功能障礙相關的疾病的病理生理機制，並可能有助於藥物篩選。總的來說，這項研究的成果為理解人類感覺通路的組裝及其相關疾病的治療開發提供了有價值的模型和新視角。
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