用類器官為結節性硬化征建模

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結節性硬化綜合征（TSC）是一種嚴重的疾病，臨床表現為不同器官的腫瘤，常見的有：皮膚血管纖維瘤，腦部位的腦皮質結節、室管膜下結節（SEN）和室管膜下巨細胞星形細胞瘤（SEGA），心臟橫紋肌瘤，肺臟淋巴管平滑肌瘤（LAM）以及腎臟血管平滑肌脂肪瘤和腎細胞腫瘤。神經病學表現則為癲癇和TSC相關神經精神障礙，包括攻擊行為、孤獨癥譜系障礙、智力缺陷和其他精神障礙。

TSC由雜合胚系突變導致TSC1和TSC2基因失活引起，這些基因的蛋白質產物在正常情況下通過機械靶向作用負性調節雷帕霉素復合物1（mTORC1）。因此mTORC1抑制劑常用于治療TSC腦、肺和腎臟腫瘤以及癲癇患者，但并不能治療所有癥狀，而腦部腫瘤如何產生仍不明確。

奧利弗·艾希穆勒（Oliver L.Eichmüller）等人發現了一類前體細胞，能夠生成皮質結節樣和室管膜下腫瘤樣細胞，讓我們能夠更好地理解TSC的神經病學表現。

臨床上TSC患者還有很多問題亟待解決，尤其是復雜的神經系統臨床表現。盡管許多神經病學表現在出生后很快出現，但其原因仍不明確：是出生前的細胞發育問題，還是因為如突觸修剪、白質成熟和神經環路連接等在出生后的過程出現問題？該領域研究的障礙是如何通過模型再現TSC的腦部畸形和神經精神病學特征？許多動物模型同患者的臨床表現存在差異，譬如說動物模型需要其他腫瘤抑制基因失活以再現腫瘤發生過程，或是在沒有明顯皮質結節存在的情況下產生了癲癇。腦部錯構瘤（包括SEN、SEGA和皮質結節）的發生機制也不確切。而在幾乎所有的腎臟和肺部腫瘤中幾乎都發生了二次打擊事件，它使剩余的野生型TSC1或TSC2基因備份失活，其發生時間往往會更晚一些（見圖）。二次打擊被認為是腫瘤發生的必要條件，它使mTORC1的活動失去限制。許多SEN和SEGA中能夠檢測到TSC1或TSC2基因遭受到二次打擊，而在皮質結節中則并非如此，因此這類事件是否是病理機制的必要條件并不明確。

TSC一些臨床表現的細胞起源（包括血管平滑肌脂肪瘤、LAM和腦部錯構瘤）界定并不清晰。另一個尚不明確的問題是TSC是否會被性別、免疫滲透、基因修飾、飲食和環境暴露等因素影響。表型和嚴重性并非嚴格基于基因型——同一家系的TSC患者在臨床表現上也會有很大差異。這些未知因素影響著該疾病基礎研究中疾病模型的優化進程。

艾希穆勒等人利用TSC患者的細胞獲得了誘導多能干細胞（iPSC），并分化出不同的神經細胞系，以此培養類器官——一種三維的細胞培養物。這種類細胞再現了TSC的兩種臨床表現：與SEN或SEGA相似的增殖損害，以及與皮質結節相似的巨細胞。研究者利用單細胞RNA測序技術鑒定到一種細胞，推測為這兩種損害共同的起源細胞，稱為尾部晚期中間神經元祖細胞。CLIP細胞表達低含量的TSC2，因此可以推測其對TSC2的一個等位基因的失活更為敏感。CLIP細胞和周圍增加mTORC1的活性和對腫瘤發生易感性的祖細胞群在轉錄上則是相分離的。研究者認為腦部損害最初由CLIP細胞組成，但其他細胞類型會在疾病進展過程中出現。

CLIP細胞的發現以及其是皮質結節和室管膜下腫瘤的前體細胞的假說，稱得上是理解TSC神經病學表現之路上的重大突破。這些發現和近期其他人類胚胎干細胞培養成皮質球狀體的研究大相徑庭，展示了需要TSC1或TSC2的兩個等位基因失活，才會導致細胞分化的改變以及異型細胞的出現，支持了結節發生的二次打擊模型。這提示結節發生的機制并不單一，且可能取決于發育階段，人類iPSC分化得到的腎臟類器官在研究中能夠發展出血管平滑肌脂肪瘤樣的腫瘤，但需要預先設置TSC2雙等位基因的失活，這證實了二次打擊的必要性。當類器官模型和患者組織病理學研究不斷進展，重要的問題將會是：其他TSC相關的腫瘤是否也存在CLIP細胞樣的特點，包括低含量的TSC蛋白，以及TSC基因的二次打擊是否是腫瘤發生的必要條件。

結節性硬化綜合征中的腫瘤發生過程

結節性硬化綜合征1（TSC1）和結節性硬化綜合征2（TSC2）基因的雜合胚系失活性變異會延續終身，導致不同器官的腫瘤發生。腦部損害會較早地呈現，其可能由尾部晚期中間神經元祖（CLIP）細胞發展而來；而腎臟和肺部腫瘤的出現則會晚些，發生在二次打擊后，野生型TSC1或TSC2等位基因變異并失活，而這一過程可能出現在CLIP樣細胞中。

目前仍不明確CLIP細胞是否有可以進行靶向治療的特征。盡管CLIP細胞內表達表皮生長因子受體（EGFR），艾希穆勒等人發現抑制EGFR將會阻止類器官中損害的發生，而腦內其他祖細胞群也會動態地表達EGFR，但卻對TSC2突變的易感性更低。TSC患者各類皮質下腫瘤發病率存在差異則指向另一個問題：如果TSC2雜合細胞中的CLIP樣狀態足以誘導所有腦部錯構瘤的發生，為什么更多的TSC患者罹患SEN而少數發展出更大的SEGA腫瘤呢？免疫浸潤——盡管還未在TSC類器官中發現——或許是這一現象及其他臨床特征發生的重要調控因素。類器官模型的進一步優化或將解答這些問題，讓我們對TSC以及其他罕見的疾病有更深刻的理解。

我們有必要比較一下艾希穆勒等人發現的細胞類型和近期人類發育學單細胞研究結果的匹配程度。尤其是細胞條形碼和譜系示蹤技術的新數據顯示，腦發育過程中神經細胞系會在不同亞區域生長發育，過去認為它們由皮質祖細胞或是尾部神經節隆起祖細胞（能夠進一步分化為CLIP細胞）分化而來，實際上二者卻能夠單從皮質祖細胞分化而來。如果發育中CLIP樣狀態能在多個細胞系中同時出現，那么就需要重新思考TSC腫瘤發生的地點和方式。

資料來源Science