中枢神经系统（CNS）浸润是治疗儿童B细胞前体急性淋巴细胞白血病（BCP-ALL）的重大临床难题。尽管在ALL的治疗上取得了显著进展，但CNS浸润的机制仍然不完全清楚。传统的2D细胞培养和小鼠模型在研究CNS白血病机制方面有一定局限性，因为人类和小鼠CNS的细胞特性和结构存在显著差异。因此，开发新的模型来研究CNS白血病显得尤为重要。近年来，类器官技术的兴起为癌症研究提供了新的工具。脑类器官是一种基于干细胞的3D体外模型，可以部分模拟供体脑的区域组织和细胞特性。
近日，来自的德国海涅大学医学院Sanil Bhatia团队在Blood advances发表题为A brain organoid/ALL co-culture model reveals the AP-1 pathway as critically associated with CNS-involvement of BCP-ALL的研究论文。本文提出了一种结合人脑类器官和BCP-ALL细胞的3D共培养模型，发现BCP-ALL细胞在脑类器官中表现出显著更高的植入率。通过RNA测序和功能验证，揭示了侵入类器官的白血病细胞中AP-1转录因子复合体成员的显著上调。此外，还发现从CNS中恢复的ALL-PDX细胞中AP-1信号通路基因显著富集，进一步证实了AP-1信号在CNS白血病中的作用。
图示描述：
1) 脑类器官模型的建立和CNS侵入的白血病细胞的显著植入。研究人员利用人iPSCs分化成熟脑类器官，并与带有荧光染料（CFSE）的白血病细胞或健康的造血干细胞（HSPCs）共培养类器官成功地模拟了人类CNS组织的关键结构。
2) 在14天共培养后，TCF3::PBX1+ BCP-ALL细胞深入侵入脑类器官。图2A-C显示了TCF3::PBX1+ PDX细胞在脑类器官中的最大强度投影和三维正交视图。图2D展示了亚表面CFSE染色的白血病细胞与其他神经元细胞类型的共定位。图2E的z-stack合并图像显示了CFSE、DAPI和抗MAP2染色，表明白血病细胞坐落在复杂的神经元网络中。
3) BCP-ALL细胞与健康CD34+ HSPCs在脑类器官中的显著植入对比。共培养14天后，10,000 CFSE染色的细胞在脑类器官中的聚集。通过定量评估每个类器官中的CFSE阳性细胞数量，发现白血病细胞的植入显著高于健康HSPCs。通过3D图像分析展示了白血病细胞在类器官结构中的相对分布，发现TCF3::PBX1+ PDX1细胞在类器官中的侵入深度显著高于K562和KCL22细胞。
4) CD79a/Igα或CXCR4-SDF1信号抑制对TCF3::PBX1+白血病细胞在脑类器官中植入的影响。CD79a敲低的697细胞在脑类器官中的植入显著减少。通过免疫荧光染色展示了脑类器官中SDF-1的高表达，并与神经元标志物MAP2的共定位。CXCR4抑制剂Plerixafor处理显著减少了白血病细胞在脑类器官中的植入。
5) 侵入脑类器官的TCF3::PBX1+白血病细胞中AP-1相关基因的上调。通过RNA测序分析显示，侵入类器官的白血病细胞中FOS和FOSB基因显著上调。细胞内FACS和IF染色进一步验证了AP-1信号相关FOS、FOSB和JUN的上调。活细胞成像显示，AP-1-GFP报告基因在类器官共培养中显示出一致的荧光增加。AP-1抑制剂T-5224显著减弱了白血病细胞向脑类器官的迁移。
全文总结：
该研究提出了脑类器官与BCP-ALL细胞的共培养模型，成功模拟了CNS白血病的关键特性，揭示了AP-1信号通路在BCP-ALL细胞侵入CNS中的关键作用。AP-1相关基因FOS、FOSB和JUN在侵入类器官的白血病细胞中显著上调。验证了CD79a/Igα和CXCR4-SDF1信号在CNS白血病中的作用，表明这些途径可以作为潜在的治疗靶点。
参考文献：
Gebing, Philip et al. “A brain organoid/ALL co-culture model reveals the AP-1 pathway as critically associated with CNS involvement of BCP-ALL.” Blood advances, bloodadvances.2023011145. 15 Jul. 2024, doi:10.1182/bloodadvances.2023011145.
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