人类干细胞探索发现情绪障碍（双相情感障碍-重度抑郁症）的治疗方案

尽管双相情感障碍和重度抑郁症等情绪障碍在全球普遍存在，但其发病机制在很大程度上仍被误解。情绪稳定剂和抗抑郁药虽然对某些人有用且有效，但对这些疾病患者的反应率并不高。对这些药物反应不佳的原因之一是患者的异质性，即与遗传学、病因学和环境有关的患者特征的多样性会影响治疗。

在过去二十年里，新型诱导多能干细胞（iPSC）研究和技术使人源脑细胞成为研究人类疾病的新模型，有助于解释患者的差异。人类iPSC技术是一种新兴工具，可用于更好地了解这些疾病的分子机制，同时也是测试新型疗法和现有药物的平台。

本文献综述介绍了诱导多能干细胞技术在双相情感障碍和重度抑郁障碍模型中的应用、治疗这些障碍的常用药物、过去发表的针对无应答患者的新型患者衍生替代治疗方法，以及从这些模型中获得的新数据。

介绍

2006年，山中伸弥和他的研究生高桥和俊发现了如何将小鼠成纤维细胞转化为诱导多能干细胞（iPSCs）。随后不久，研究人员又发现人类皮肤细胞也可以重编程为iPSCs。

随着时间的推移，研究人员能够将人类诱导多能干细胞（iPSCs）诱导分化成其他细胞类型，如神经元祖细胞（NPCs）和神经元，为研究特定疾病（如重度抑郁障碍（MDD）或双相情感障碍（BD））的神经疾病发病机制和目标细胞类型提供了工具。

通常无法获得的细胞，如情绪障碍患者的神经元，现在可以利用源自血液和皮肤等体细胞组织的iPSC重编程技术生成。由于对情绪障碍的细胞和分子病理学缺乏了解，导致诊断工具效率低下，患者无法获得现有的治疗方案。

iPSC技术有助于探索这些疾病的分子机制和病因，并对替代治疗方法进行无创测试。使用源自患者的细胞作为人类疾病模型，可促进探索替代治疗方案，以治疗那些对传统药物治疗无反应或不能耐受的患者。对于情绪障碍而言，由于患者的多样性和基因组学相关因素，药物反应性可能存在很大差异。利用源自患者的iPSC模型探索这些差异有助于阐明药物疗效，了解与用于个体化治疗情绪障碍的药物相关的细胞通路。 

本综述探讨了使用诱导多能干细胞技术研究双相情感障碍和重度抑郁症细胞病理学的历史，以及使用常见药物治疗这些疾病的研究（图1和表1、表2）。

双相情感障碍 (BD)

双相情感障碍（BD）是一种精神病学诊断，适用于持续出现情绪波动和躁狂、躁郁和重度抑郁发作等症状的人。它通常被描述为一种情绪障碍，主要分为两种类型：I型和II型。I型与较高的躁狂发作发生率相关，而II型则强调较高的抑郁发作可能性。

在诊断上，双相情感障碍还有其他亚型，如物质/药物诱发的双相情感障碍和周期性双相情感障碍。躁郁症影响着数百万人，约占全球人口的2%。躁郁症被认为会在个体发育的早期影响神经元的正常成熟，尽管报告的平均发病年龄约为20岁。

迫切需要找到可行的双相情感障碍诊断和治疗替代方案，因为双相情感障碍可能导致比情绪波动和抑郁发作更严重的健康并发症。患有双相情感障碍的人在青年和成年期患心血管疾病的可能性更高以及导致糖尿病和高血压的慢性炎症。双相情感障碍还会损害认知能力，包括记忆力、反应时间和执行功能。

抗精神病药物也与双相情感障碍患者的认知障碍有关这些损伤会导致残疾，对个人造成不利影响，影响个人生活的经济、家庭和社会方面。调查数据显示，对于那些患有双相情感障碍的人来说，从症状出现到获得诊断和治疗方案之间的时间间隔约为五年。

躁郁症与遗传和环境风险因素相关，如家族病史和童年创伤。躁郁症也是遗传率最高的精神疾病，发病率约为85%。对有躁狂症病史的家庭进行的研究发现，遗传风险因素与躁狂症的发展有关。这些遗传风险因素并不是双相情感障碍的明确生物标志物，但却提供了对该疾病的病因和发病机制的深入了解，指出了该疾病在神经元发育过程中的早期作用。躁郁症在大脑中的表现似乎依赖于涉及细胞信号通路、钙信号、炎症反应、组蛋白和免疫通路以及微RNA和激素通路的基因失调。

在下一节中，我们将讨论双相情感障碍的iPSC模型案例研究，并在使用以人为本的方法对情绪障碍进行建模的更大框架下对这些研究进行背景分析，以及这些研究如何解决双相情感障碍治疗、发病机制和神经生物学方面的认识差距。

01利用诱导多能干细胞建立双相情感障碍模型

Chen等人的论文是利用iPSCs建立BD模型的首批研究之一。他们研究了一组确诊为BD患者的iPSCs的发育途径和细胞行为，并与健康人进行了对比，发现与对照组神经元相比，患者来源的神经元表达了更多的膜受体和离子控制基因。这些基因的失调会影响中枢神经系统（CNS）的功能和钙信号转导，这进一步证明了建立模型以研究受该疾病影响的发育途径的必要性。

随后的一项研究支持了之前的结果，发现与对照组相比，BD患者的离子通道表达增加，患者的NPCs和神经细胞在Wnt和GSK3信号通路中显示出变化。

一些证据表明，炎症信号传递失衡与BD之间存在联系。BD患者患有心血管疾病、糖尿病和与免疫相关的 “代谢综合征 “等炎症并发症的比例较高。

Vadodaria等人比较了一组健康人和BD患者的整个转录组，发现与对照组相比，BD患者iPSC衍生的星形胶质细胞中白细胞介素-6（IL-6）这种促炎症细胞因子上调。随后，BD星形胶质细胞对另一种促炎细胞因子–白细胞介素-1b（IL-1b）的反应显示了对炎症的独特转录反应，IL-6的分泌进一步增加，直接对共培养神经元的活性产生了负面影响。

这些研究支持这样一种假设，即在BD患者的早期胎儿大脑发育过程中，炎症系统相关基因的表达会发生失调，从而导致神经元功能受损。这些发现共同凸显了研究抗炎化合物作为BD辅助治疗方法的巨大潜力。

我们的结果表明，IL-1b或TNF-a促炎刺激物增加了对照组和BD组中表达IL-6的星形胶质细胞的百分比，而芹菜素治疗可逆转这一现象（图2B和2C）。如之前观察到的，双相情感障碍星形胶质细胞的促炎反应明显高于对照组（图2B和2C）。这些数据为探索抗炎化合物作为治疗双相情感障碍的补充治疗方法提供了令人信服的证据。

图2：芹菜素更有效地减弱了BD患者iPSC衍生星形胶质细胞的炎症反应。

02利用诱导多能干细胞了解锂治疗双相情感障碍的方法

锂 (Li) 是一种常用的处方情绪稳定剂，已用于治疗躁郁症超过70年，但在iPSC建模之前，研究人员尚不清楚它如何减少某些双相情感障碍患者的躁狂发作的机制。

Malhi等人的BD的iPSC模型表明，锂在某些患者中起作用，因为它可以挽救细胞水平上关键过程的失调。

重要的是，对锂治疗有反应的BD神经元系子集来自在临床环境中也对锂治疗有反应的BD患者，这证实了患者的药物反应可以在体外疾病建模环境中使用患者衍生的细胞重现。

总结：由于锂对某些BD患者有效，但对其他患者无效，当用锂治疗时，只有对锂有反应者得以挽救。此外，与对照NPC相比，BD NPC中具有高线粒体膜电位 (MMP) 的细胞较少，这表明细胞活力是锂反应的一个重要方面。使用iPSC模拟锂反应途径已被证明有助于拼凑双相情感障碍所涉及的机制和该疾病的治疗。BD的IPSC模型还强调了对治疗该疾病的某些处方药（如锂）没有反应的人群。

03探索使用诱导多能干细胞治疗双相情感障碍的替代疗法

虽然锂有助于减少躁狂发作的发生，但它的副作用可能会导致长期的胃肠道损伤，并且该药物对患有急性躁郁症（一种不太严重的BD表现）的患者有效。此外，一旦患者接受诊断治疗，他们可能不会出现症状减轻，因为药物的有效性因遗传学和神经生物学的不同而不同。因此，迫切需要探索除锂之外的替代药物及其对BD患者的影响。

使用iPSC使研究人员能够在不对患者造成潜在伤害或负担的情况下测试药物的有效性，并为探索治疗BD的其他药物提供体外见解。例如，一项研究观察了线粒体呼吸以及三种情绪稳定剂（锂、丙戊酸钠和拉莫三嗪）对锂应答者、锂无应答者和未接受治疗者的iPSC模型的影响。这三种药物都诱导了一种转录特征，主要在核糖体和氧化磷酸化途径中得到增强。

研究人员指出，接受锂治疗的响应者NPC具有更好的耗氧率。当暴露于丙戊酸时，未接受治疗的NPC表现出最大呼吸和储备能力，从而产生更好的耗氧率。

一项研究博尔托拉斯奇等人发表了一份报告，利用iPSC衍生的神经元和星形胶质细胞，通过在接触BD药物后产生基因表达特征来筛选与BD相关的靶基因，并发现曲美他嗪在他们的分析中是合适的匹配。

众所周知，这种药物可以作用于人体的代谢过程，并有增加三磷酸腺苷 (ATP) 产生的趋势，ATP被认为是BD缺陷的一个组成部分。已发表的研究报告称，BD患者的线粒体呼吸功能存在异常，已知该通路受曲美他嗪的影响。尽管Bortolasci及其同事并未严格重现iPSC模型中的药物暴露情况，但研究团队能够证明，接触曲美他嗪可减轻大鼠的BD样症状，显示出iPSC建模有望解决BD治疗计划中的差距。

一些研究呼吁使用iPSC模型，强调了探索BD替代疗法的必要性和实用性。这些模型提供了宝贵的见解，让我们了解情绪稳定剂反应的信号通路，以及锂反应者和无反应者在细胞过程中存在的差异，例如线粒体呼吸。

重度抑郁症（MDD）

重度抑郁症给个人带来的成本和负担非常大，但最紧迫的可能是，MDD是一些国家自杀的主要原因。MDD的传统诊断过程始于患者被转诊给有执照的专业人士，诊断依据是患者情绪变化和抑郁发作时间超过14天。这些发作极有可能在人的一生中反复发生，但可以通过药物、治疗和其他综合和持续的医疗干预来缓解。

全球研究表明，青春期后女性患MDD的可能性是男性的两倍。类似研究发现，MDD的平均发病年龄约为25岁。跨国研究指出，患有MDD的个体存在特定风险因素，包括近期经历过创伤和不良生活事件。

经历过童年创伤的人患MDD的可能性是正常人的两倍，慢性压力也是导致重度抑郁症的一个重要风险因素，了解MDD患者的神经生物学、遗传学和环境之间的相互作用对于获得更有效、更便捷的治疗方案至关重要。

目前，关于MDD在个体中如何发展以及导致该疾病的原因的共识是遗传、心理和环境因素共同作用的结果。

MDD作用于大脑，最显著的是影响前脑区域的神经递质和突触活动的过程。血清素、去甲肾上腺素和多巴胺等神经递质对于调节中枢神经系统 (CNS) 至关重要。SSRI（选择性血清素再摄取抑制剂）和SNRI（血清素和去甲肾上腺素再摄取抑制剂）是用于治疗MDD的常用抗抑郁药，它们作用于神经递质并能改变突触活动。

然而，约有一半的MDD患者对抗抑郁药物没有反应，并且还受到导致该疾病的进一步风险因素的影响，这促使研究人员研究受影响个体的替代治疗方法。

被诊断患有MDD的患者中，很大一部分被认为具有遗传易感性，因为在某些情况下，MDD甚至会影响整个家庭。基因研究表明，MDD与其他精神疾病相关的基因有显著的重叠。重度抑郁症的遗传学揭示了个体的多基因风险评分，但没有通过个人基因提供官方的治疗或诊断方式。

以下部分详细介绍了患者来源的iPSC神经元建模如何成为研究MDD药物反应和潜在治疗方法的途径，并可能深入了解患有或不患有该疾病的个体之间的神经生理学差异。

04利用诱导多能干细胞建立重度抑郁症模型

有关抑郁症的iPSC研究的早期重点是捕捉与抑郁症相关的风险因素（如炎症和慢性压力）的影响，通常使用暴露于皮质醇和地塞米松作为在健康人的海马祖细胞（HPCs）中建立抑郁症模型的手段。

一项研究发现，当比较暴露于低剂量和高剂量皮质醇对海马祖细胞的影响时，细胞增殖增加了16%，神经发生减少，但星形胶质细胞分化没有增加。众所周知，糖皮质激素会在模拟压力和类似抑郁情景的大鼠模型和MDD患者的血液样本中增加，过多的糖皮质激素会阻止神经发生。

Anacker等人利用HPCs发现，血清和糖皮质激素调节激酶1（SKG1）确实在调节皮质醇暴露所带来的影响方面发挥作用，这表明抑制SKG1可能是未来治疗抑郁症患者的一种可能途径。

Heard等人的一项研究发现，当长期暴露于皮质醇时，来自多发性硬化症患者的神经胶质细胞（星形胶质细胞）与无病史的患者相比，具有大量不同表达的基因。多发性硬化症患者的不同调控基因与G蛋白偶联受体（GPCR）、配体结合、突触信号转导和离子稳态有关。这些数据突显了星形胶质细胞在慢性应激条件下的中枢神经系统中的重要作用。抑郁症患者体内会诱发促炎症细胞因子白细胞介素-1b（IL-1b），而抑郁症与炎症和神经发生减少有关。

使用iPSC研究调节炎症诱发抑郁症的途径的趋势也出现在一系列实验中。

Borsini及其同事的其他研究表明，将人类海马祖细胞暴露于抑郁症患者的血清中，会诱导细胞凋亡，并且神经发生率会低于暴露于非抑郁症患者的血清，并且这些影响在用干扰素-a治疗后会加剧。随后，作者还评估了IL-6的双峰作用，即对人类海马干细胞系具有促炎和抗炎作用，这取决于其浓度水平以及周围环境中其他促炎细胞因子的共存情况。总之，这些结果为个体的系统环境在炎症调节海马神经发生及其对神经精神状况的影响中的作用提供了证据。

05使用SSRI、SNRI和iPSC了解重度抑郁症

研究MDD治疗途径的一个重要依据是记录SSRI药物对人类神经元模型影响的实验。

一项使用hAD-SCs（人脂肪衍生干细胞）进行的研究发现，舍曲林（SSRI）可促进细胞增殖，但不会促进这些培养物的神经胶质生成。与之前的研究不同，Razavi等人没有检测到对MAP2阳性神经元的影响。一项类似的实验注意到了某些抗抑郁药对细胞增殖和分化的挽救作用，该实验测试了一种名为帕罗西汀的常用抗抑郁药对hAD-SCs的作用。他们的研究结果表明，帕罗西汀确实改变了整个细胞培养过程中的增殖率，导致了神经元分化，而且暴露于帕罗西汀诱导了Nestin和MAP2阳性神经元的整体增加，以及胶质酸性纤维蛋白（GFAP）阳性细胞的减少。

Horowitz等人（2015年）的一项研究使用IL-1b作为炎症刺激物，比较了抗抑郁药和脂肪酸对HPCs炎症免疫反应的调节能力。文拉法辛（SNRI）和二十碳五烯酸（EPA）具有抗炎作用。这些研究结果提醒人们，进一步确定单胺类抗抑郁药和脂肪酸的作用机制对于了解抑郁症患者的免疫过程至关重要。

Zhong等人（2020年）对一种常见的SSRI所产生的发育神经毒性很感兴趣，他们利用从人类iPSCs衍生的已建立的脑器官模型证明，帕罗西汀（SSRI）影响了神经毒性的几个方面，包括与对照组相比，处理细胞中少突胶质细胞的数量差异，以及神经元生长特性和突触标记表达的减少。此外，细胞数量减少了40%-75%之间，神经元生长和突触标记表达的减少分别约为60%和80%。这项研究概述了一种利用人体细胞条件测试胎儿发育过程中抗抑郁药神经毒性的可靠模型。

利用SSRIs和iPSCs来了解MDD的治疗机制很有见地，但对这些传统治疗方法无反应的人群也为利用新型人体组织培养技术发现药物提供了一条途径。

06探索利用诱导多能干细胞治疗重度抑郁症的替代疗法

通常，患者必须尝试多种药物组合才能持久缓解MDD症状。抗抑郁药的副作用和低反应率凸显了患有MDD的人需要替代治疗方案。难治性抑郁症（TRD）一种对其他药物没有反应的重度抑郁症患者。诊断与患者的慢性压力和大脑结构可塑性失调有关。然而，使用氯胺酮作为难治性抑郁症患者的治疗选择，在缓解MDD症状方面取得了一些成功，这鼓励了研究人员使用iPSC模型来了解该药物与其他化合物相比对无反应者的效果。

患者通常需要尝试多种药物组合才能持久缓解MDD症状。抗抑郁药的副作用和低反应率凸显了为MDD患者提供替代治疗方案的必要性。耐药性抑郁症（TRD）指对其他药物治疗无效的MDD患者，与长期压力和受影响者大脑结构可塑性失调有关。不过，将氯胺酮作为治疗耐药性抑郁症患者的一种选择，在解决MDD症状方面取得了一些成功。这促使研究人员使用iPSC模型来了解这种药物与其他化合物相比对无应答者的影响。

Cavalleri等人发现，氯胺酮确实增加了小鼠和人类iPSCs衍生的多巴胺能（DA）神经元的结构可塑性。根据观察和先前的研究结果，研究人员一致认为，氯胺酮暴露能够进入由a-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体（AMPAR）诱导的脑源性神经营养因子（BDNF）和哺乳动物雷帕霉素靶标（mTOR）信号转导的通路，进而影响小鼠和人类DA神经元的结构神经可塑性。

卡瓦莱里等人发现氯胺酮的有效性与完整的D3多巴胺受体之间存在相关性，从而产生抗抑郁作用。罗匹尼罗和普拉克索这两种药物通常用于治疗帕金森病患者，它们被认为作用于D2和D3受体，可能在调节结构可塑性方面发挥作用，可能为TRD患者提供缓解，类似于氯胺酮暴露的效果。

探索MDD的影响和机制的研究，特别是在难治性抑郁症中，已经显示出对各种化合物的应用方式和测试药物反应性的方式的理解有所增加，这些化合物可用于之前被标记为“无反应者”的患者。
讨论与结论

BD和iPSC研究的传统始于使用BD患者的细胞系直接模拟该疾病，并比较神经细胞与对照组的分子和功能差异。与此同时，研究人员对BD的遗传风险因素也很感兴趣，他们利用源自患者的iPSC株系对有该疾病病史的家族进行比较。

该领域的一个分支是利用iPSCs对治疗BD的药物（主要是锂剂）所影响的通路进行建模，因为锂剂具有持续的处方使用历史和部分成功。利用iPSCs分析与BD相关的靶基因和替代治疗方案，可以创建一个药物有效性研究模型，而不会使参与者承受临床试验中的过重负担（图3）。 

该图描绘了研究人员用于探索除锂和SSRI/SNRI之外的替代治疗方法的途径，用于对BD和MDD无反应患者进行治疗，因为他们占同时患有这两种疾病的人口的一半左右。从收集细胞开始，研究人员可以寻找与药物反应相关的生物标志物，并建立可进行各种分析的患者个性化神经元模型。这些数据有助于探索已经上市的新化合物和替代药物，从而减轻传统治疗方法无反应患者的痛苦。

使用iPSC建立BD模型的其他研究表明，炎症在与该疾病相关的表型的表现和治疗中发挥了作用，同时与对照组相比还存在各种分子和电生理学差异。最近，研究人员利用iPSC模型探索了针对BD患者的替代药物治疗方法，重点是锂无应答者。此外，图2中的新数据表明，利用芹菜素等抗炎化合物针对与BD相关的炎症反应，可为该疾病患者提供另一种治疗方法。

这项研究使用并比较了用SSRIs、SNRIs和其他与治疗抑郁症有关的化合物处理过的细胞，以调查无反应者、反应者和对照组在接触不同化合物时的不同表现。动物模型和死后组织分析提供了大量信息，但iPSC模型为在人类和无害环境中测试BD和MDD的机制和治疗方法提供了一条途径（图3）。

期待基于诱导多能干细胞建立的双相障碍及抑郁症的疾病模型能够早日突破疾病病因学研究的瓶颈，为干细胞治疗精神疾病的基础研究和临床治疗带来曙光。

参考资料：https://doi.org/10.1590/1678-4685-GMB-2023-0305

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