人类神经系统在胚胎早期由中枢神经系统与外周神经系统协同形成。神经嵴从背侧神经管边缘出现，随后迁移并生成感觉神经节、施旺细胞等外周结构。现有类器官多聚焦单一区域，难以在同一体系中观察中枢与外周谱系如何同步出现、相互协调。研究人员在《Developmental Cell》发表题为 “Self-organizing human dual neural organoids model regional disease defects and teratogenicity” 的研究论文。研究建立人外周—中枢双神经类器官（hPCOs），使感觉神经节样外周区域与背侧脊髓样中枢区域在同一体系中自组织形成。借助该模型，研究者解析了Wnt信号对两类命运的双向剂量调控，重现PRDM12相关先天性痛觉缺失的外周特异性缺陷，并搭建了可视化与AI辅助的药物发育毒性筛查流程。
文章亮点
构建双区域模型：hPCOs在同一类器官内自组织形成外周感觉神经节样区域和背侧脊髓样区域，而非把两个预先形成的类器官简单融合。
解析Wnt剂量窗口：抑制Wnt阻断神经嵴形成，较低活性偏向外周命运，适度活性支持两类谱系共发育，过强活性又转向中枢命运。
定位疾病区域缺陷：PRDM12截短突变主要损害外周区域的伤害感受器，对中枢区域影响较小，为谱系特异性疾病分析提供内部对照。
识别药物发育影响：丙戊酸和沙利度胺在体外剂量依赖性抑制外周区域形成，Wnt抑制可部分恢复相关表型。
连接自动化筛查：研究对220种FDA批准化合物进行概念验证筛查，图像分类准确率为94.37%；结果用于提示候选风险，不能直接替代人体致畸性评价。
研究内容
双神经类器官在同一体系中形成外周与中枢区域
研究团队通过TGF-β信号抑制，并阶段性调节Wnt、FGF2、BMP4和视黄酸信号，将人胚胎干细胞或诱导多能干细胞诱导为hPCOs。培养早期，SOX2阳性的中枢前体与SOX10阳性的神经嵴细胞共同出现。
第9天起，两类细胞开始自我分选；到第15—20天，类器官形成相对分离的两个区域。外周区域富集SOX10、PRPH、BRN3A和ISL1，中枢区域则富集SOX2并呈背侧神经管特征。
外周区域进一步产生NTRK1阳性伤害感受器、NTRK2阳性机械感受器、NTRK3阳性本体感受器以及外周胶质细胞；中枢区域产生背侧脊髓神经元亚型。外周谱系成熟较早，中枢区域保留更多增殖细胞。
图1｜hPCOs的诱导流程与双区域形成。SOX10／PRPH标记的外周区域和SOX2标记的中枢区域随培养自组织分离，并产生感觉神经元、胶质细胞和背侧脊髓细胞。
单细胞图谱验证感觉神经节与背侧脊髓谱系
研究对第6、9和16天hPCOs进行单细胞RNA测序，识别出13个细胞群，包括中枢谱系的神经前体、中间前体和脊髓神经元，以及外周谱系的神经嵴、感觉神经元前体、感觉神经元和少量胶质细胞。
伪时序与RNA速度分析显示，中枢谱系沿神经前体—中间前体—脊髓神经元轨迹分化；外周谱系则由神经嵴细胞经增殖状态和感觉神经元前体走向感觉神经元。
到第22天，外周胶质细胞比例增加，提示感觉神经节样区域继续成熟。研究还将类器官转录组与人胚胎孕4—7周的脊髓和背根神经节数据整合，发现两类发育轨迹具有对应的分子模式。
与单一脑区或脊髓类器官相比，hPCOs同时表达感觉神经节和脊髓相关基因。H9、H1胚胎干细胞与RC01001A诱导多能干细胞产生的细胞组成总体相似。
图2｜hPCOs的单细胞谱系图谱。UMAP、标志基因和伪时序分析显示，中枢神经前体与神经嵴细胞分别走向脊髓神经元和感觉神经元谱系。
Wnt信号以双向剂量效应协调外周一中枢命运
在诱导第0—6天加入Wnt抑制剂XAV939后，SOX10阳性神经嵴细胞显著减少，类器官主要获得SOX2阳性的中枢命运；到第20天，PRPH阳性外周神经元和BRN3A／ISL1双阳性感觉神经元几乎缺失。
进一步改变Wnt激动剂CHIR99021剂量时，2 μM条件更偏向SOX10和PRPH阳性的外周谱系，5 μM条件则增加SOX2阳性的中枢谱系。多细胞系和血清替代物浓度实验重现了这一方向性变化。
单细胞RNA测序、单细胞ATAC测序和分选后转录组分析显示，中枢神经前体的Wnt通路活性高于神经嵴细胞。通过配对调整CHIR99021与培养条件，研究者能够重新恢复两类区域的平衡。
由此得到一个剂量模型：缺少Wnt时神经嵴难以形成，较低活性促进外周命运，适度活性允许中枢与外周共发育，进一步增强则抑制外周并推动中枢命运。
图3｜Wnt信号的双向剂量调控。抑制Wnt、低剂量、平衡剂量和高剂量分别产生不同的外周—中枢命运组合，并可通过剂量补偿恢复双区域结构。
PRDM12突变在外周区域造成伤害感受器特异性缺陷
研究者利用CRISPR-Cas9构建PRDM12-p.85 stop和PRDM12-p.140 stop两种截短突变。PRDM12在hPCOs中主要表达于外周区域，因此双区域结构可同时提供受累外周组织与相对未受累中枢组织。
两种突变均缩小外周区域，降低NTRK1和PRPH表达，并减少BRN3A／ISL1双阳性感觉神经元及PRPH／NTRK1双阳性伤害感受器。NTRK1阳性细胞的凋亡增加最明显。
相较之下，中枢区域的PAX7／SOX2阳性前体、神经元数量和凋亡水平未见显著改变，说明表型集中在外周谱系。转录组中NTRK1、RET、SCN9A等伤害感受器相关基因也出现下调。
功能上，野生型外周细胞对辣椒素产生明显钙信号，而两种突变细胞的反应显著减弱。结果支持PRDM12缺失导致伤害感受器生成、存活与功能受损，但不同伤害感受器亚型仍需进一步解析。
图4｜PRDM12突变导致外周特异性疾病表型。突变hPCOs的伤害感受器标志、细胞存活和辣椒素诱导钙响应下降，而中枢区域相对保留。
丙戊酸和沙利度胺抑制神经嵴与外周区域形成
双区域在明场图像中的透光度不同，使研究者可直接观察药物是否改变外周区域。团队在诱导第0—6天测试丙戊酸、卡马西平、苯妥英、沙利度胺、氯胺酮、氟康唑、尼古丁和MTX-211等化合物。
在所测条件中，丙戊酸和沙利度胺剂量依赖性抑制第20天外周区域形成，并减少PRPH阳性神经元、S100β阳性胶质细胞以及SOX10和PRPH表达；其他化合物未出现同样明显的区域效应。
早期检测显示，两种药物降低SOX10、TFAP2A和NGFR等神经嵴标志，同时提高SOX2表达。转录组与高剂量Wnt激活条件存在较多共同变化，提示过强Wnt活性可能参与这些表型。
加入Wnt抑制剂XAV939后，SOX10细胞、外周区域面积及相关基因表达得到部分恢复，为异常Wnt信号参与药物效应提供了机制支持。
这些实验是在类器官早期诱导窗口、特定剂量下完成的。它们提示对人神经嵴发育的潜在影响，不能单独用于判断临床用药的实际致畸风险或安全剂量。
因此，hPCOs的优势在于同时显示外周与中枢区域，使药物对特定谱系的影响可以在同一实验中直接比较。
图5｜药物对外周区域形成的影响及Wnt干预。丙戊酸和沙利度胺显著减少PRPH阳性外周区域，XAV939可部分恢复相关结构与分子标志。
自动成像与AI分类支持规模化发育毒性筛查
研究团队将第20天明场成像与ResNet分类器结合，把hPCOs分为正常和异常形态。概念验证共测试220种FDA批准化合物，每种药物进行两次筛查，分类器与人工判读的总体一致准确率为94.37%。
筛查中，23种化合物完全破坏细胞聚集并阻止胚状体形成，这首先说明细胞毒性或聚集障碍，不能直接归类为神经毒性。另有阿托伐他汀、尼莫地平和氟伐他汀在两种细胞系中选择性减少外周区域。
该流程能减少人工图像审阅并发现区域特异性候选表型，但仍属于概念验证。模型没有覆盖母体代谢、胎盘转运、体内暴露量和长期中枢—外周相互作用，因此阳性结果需要在其他模型和临床证据中继续验证。
图6｜hPCOs自动化药物筛查流程与候选表型。明场图像经ResNet分类后识别异常类器官，并用区域标志物复核外周特异性影响。
总结
这项研究建立了自组织人双神经类器官，使感觉神经节样外周区域与背侧脊髓样中枢区域在同一发育过程中共同出现。该结构既便于研究两类谱系的协调机制，也为区域特异性表型提供了内部参照。
研究由此揭示Wnt信号对外周—中枢命运的双向剂量效应，并在PRDM12突变模型中定位伤害感受器缺陷。药物实验进一步显示，该模型可通过可视化读出捕捉神经嵴和外周区域的发育异常。
目前hPCOs主要适合早期谱系形成研究，培养超过约1个月后两区域会逐渐混合；其电生理成熟度、Wnt体内剂量对应关系和长期中枢—外周连接仍不清楚。未来可借助微流控、边界约束和膜片钳等方法提升空间稳定性与功能验证。
参考文献