iPSC来源的神经元在小核酸药物筛选中的应用

一、摘要

本文聚焦iPSC诱导多能干细胞来源的神经元在小核酸药物筛选领域的应用价值，系统梳理技术发展背景、核心优势及行业痛点，全面分析国内外主流企业的研发进展、技术布局与合作动态。随着全球神经系统疾病诊疗需求的持续增长，传统药物筛选模型的局限性日益凸显，iPSC来源的神经元凭借其独特的生物学特性，成为小核酸药物研发的关键工具。通过整合专利数据、临床研究成果及产业动态，揭示该领域的技术发展趋势与商业化潜力，为行业参与者提供决策参考。

 

二、背景调研

（一）神经系统疾病药物研发的困境与需求

全球范围内，神经系统疾病已成为威胁人类健康的重大挑战，阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症（ALS）、脊髓肌萎缩症（SMA）等神经退行性疾病的发病率随人口老龄化进程不断攀升。据世界卫生组织统计，仅阿尔茨海默病全球患者已超5000万，且每20年患者数量将翻倍；ALS作为致命性神经疾病，患者确诊后平均生存期仅2-5年，目前尚无根治性疗法。

 

神经系统疾病药物研发长期面临高失败率困境，核心瓶颈在于传统筛选模型无法精准模拟人类疾病病理特征。一方面，动物模型（如小鼠、非人灵长类动物）与人类神经系统存在物种差异，导致药物在临床前研究中显示的疗效难以在人体临床试验中重现，据统计，神经疾病候选药物从临床前到上市的成功率不足10%，远低于药物研发平均水平；另一方面，传统细胞模型多采用永生化细胞系，缺乏疾病特异性遗传背景，无法反映患者个体的病理生理状态，难以实现精准药物筛选。

 

小核酸药物的出现为神经系统疾病治疗带来新机遇。这类药物通过碱基互补配对原则精准调控靶标基因表达，在治疗单基因神经遗传病方面展现出显著优势，如诺西那生钠通过靶向SMN2基因治疗SMA，显著延长患者生存期。但小核酸药物在神经领域的研发仍受限于筛选模型的不足，亟需更贴近人类疾病状态的体外模型支撑药物靶点验证、药效评估及安全性检测。

 

（二）iPSC技术的发展与神经元诱导分化突破

2006年，Yamanaka团队首次通过导入Oct3/4、Sox2、c-Myc、Klf4四种转录因子，将小鼠胚胎成纤维细胞重编程为诱导多能干细胞（iPSC），2007年又成功实现人类体细胞的重编程，这一突破为生物医学领域带来革命性变化。iPSC既具备胚胎干细胞（ESC）的多向分化潜能，可分化为三个胚层的各类细胞，又规避了ESC的伦理争议，同时能从患者自体细胞获取，保留个体独特的遗传与表观遗传信息。

 

iPSC向神经元的定向分化技术已日趋成熟。体外诱导过程模拟胚胎神经系统发育机制，通过三步核心调控实现精准分化：首先通过抑制骨形成发生蛋白（BMP）和转化生长因子-β（TGF-β）信号通路实现神经化，生成神经前体细胞（NPC）；随后在视黄酸（RA）调控下完成尾端化，确定脊髓神经元发育方向；最后通过音猥因子（Shh）信号通路介导腹侧化，最终分化为运动神经元等特定神经细胞类型。诱导过程中，可通过添加BDNF、GDNF等营养因子优化细胞存活与功能成熟，生成的神经元表达SOX1、Nestin等神经标志物，具备电生理活性与突触连接功能。

 

近年来，iPSC神经元诱导技术不断升级，非病毒重编程方法（如化学小分子诱导）逐渐替代病毒载体，降低了残留病毒激活风险；CRISPR基因编辑技术与iPSC技术的结合，实现了对致病基因的精准修饰，可构建更精准的疾病模型。这些技术突破为小核酸药物筛选提供了高质量的细胞工具。

 

（三）iPSC来源神经元用于小核酸药物筛选的核心优势

1. 疾病模拟的精准性：iPSC可从患者体细胞（如皮肤成纤维细胞、外周血单核细胞）重编程获得，分化的神经元携带患者的致病基因突变，能真实模拟疾病发生发展过程中的病理变化，如ALS患者iPSC来源的运动神经元会呈现轴突退化、蛋白质聚集等典型病理特征，为小核酸药物提供更贴近临床的筛选场景。
2. 个体特异性与高通量兼容：iPSC可构建大规模患者来源的细胞库，支持不同亚型、不同遗传背景的疾病模型构建，满足个体化药物筛选需求；同时，通过标准化培养流程可实现神经元的批量生产，结合自动化筛选设备，能够高效完成大规模小核酸药物库的筛选。
3. 多维度药效评估能力：iPSC来源的神经元可用于评估小核酸药物的多种作用效果，包括靶基因沉默效率、蛋白表达调控、细胞功能改善（如电生理活性恢复）、神经保护作用等，相比传统模型能提供更全面的药效数据。
4. 安全性评价的可靠性：该模型可用于检测小核酸药物的细胞毒性、脱靶效应等安全性指标，尤其能评估药物对神经元特异性的影响，减少临床阶段的安全性风险，如通过检测神经元凋亡率、突触完整性等指标，筛选出毒性更低的候选药物。

 

（四）技术挑战与行业痛点

尽管iPSC来源的神经元在药物筛选中具有显著优势，但仍面临多项技术瓶颈。一是细胞异质性问题，不同批次诱导的神经元在纯度、功能成熟度上存在差异，可能影响筛选结果的可重复性，这一问题源于原代细胞的遗传背景差异及培养条件的细微波动；二是细胞功能成熟度不足，体外诱导的神经元往往难以达到体内神经元的完全成熟状态，部分复杂功能（如高级突触传递）模拟有限；三是致瘤性风险，iPSC残留可能导致细胞移植后的肿瘤形成，虽在药物筛选中不涉及移植环节，但仍需严格控制细胞分化纯度。

 

此外，产业化层面还存在成本与标准化挑战。iPSC的重编程、诱导分化及大规模培养需要复杂的技术流程和严格的质量控制，导致筛选成本较高；目前行业缺乏统一的细胞质量标准（如纯度、活性、稳定性指标），不同机构的实验数据难以横向对比，制约了技术的广泛应用。

 

三、国内外公司进展

（一）国际公司：技术整合与管线深耕

1. 罗氏（Roche）：多维度技术布局与神经疾病聚焦

罗氏作为全球制药巨头，在iPSC技术与小核酸药物结合领域进行了系统性布局，形成从靶点发现到药物筛选的完整技术链条。专利层面，美国专利US10718753（对应中国专利CN116064540A）显示，罗氏开发了能够在人神经元中诱导父本UBE3A基因表达的寡核苷酸，该技术针对安吉尔曼综合征（一种神经发育障碍疾病），通过iPSC来源的神经元模型验证药物疗效，为小核酸药物筛选提供了靶向明确的研究体系。

 

• 获取体细胞：从患有相关神经系统疾病（如安吉尔曼综合征等，专利中提及可治疗该疾病）的患者体内获取体细胞，通常可选择皮肤成纤维细胞或血液细胞等。

 

• 重编程为iPSC：通过导入Oct4、Sox2、Klf4和c - myc等重编程因子，将体细胞重编程为诱导多能干细胞（iPSC）。重编程因子可通过病毒载体或非病毒方法导入体细胞。

 

• 扩增和纯化iPSC：对获得的iPSC进行培养，使其大量增殖，并通过特定技术手段纯化，以获得足够数量且纯度较高的iPSC，为后续分化做准备。

 

• 分化为神经祖细胞（NPC）：在培养基中添加神经营养因子，或通过悬浮培养形成胚状体等方式，将iPSC诱导分化为神经祖细胞。

 

• 分化为神经元：进一步调控培养基成分，添加特定生长因子，将神经祖细胞分化为神经元，这些神经元具有与患者相关疾病对应的特征。

 

• 验证神经元特性：采用免疫荧光染色、RT - PCR和Western blot等技术，对分化得到的神经元进行鉴定，验证其细胞类型和相关特性，确保其符合实验要求。

 

• 构建核酸药物模型：将待研究的核酸药物以合适的方式（如脂质纳米颗粒递送等）作用于iPSC来源的神经元，观察和分析神经元在核酸药物作用下的生理功能变化，检测相关基因和蛋白表达水平，评估核酸药物对神经元疾病相关表型的影响，从而构建起核酸药物模型，用于筛选有效的核酸药物及研究药物作用机制等。

 

研发进展方面，罗氏研究团队2025年在《Stem Cell Reports》发表的研究显示，其成功构建基于CRISPR的高通量筛选平台，结合iPSC来源的小胶质细胞模型，鉴定出mTORC1信号通路在阿尔茨海默病脂质代谢紊乱中的关键作用。该平台可快速筛选调控神经细胞脂质储存的小核酸药物，为疾病机制研究和药物研发提供了双重支撑。罗氏还通过合作强化技术能力，其创新中心哥本哈根公司专注于神经元相关小核酸药物的筛选优化，利用iPSC模型验证寡核苷酸药物的细胞摄取效率和靶标调控效果。

 

 

• 构建 iPSC 衍生的细胞模型：研究人员从携带不同APOE等位基因或APOE基因敲除（KO）的同基因iPSC中，分化出小胶质细胞和巨噬细胞。通过尼罗红染色发现，APOE KO的小胶质细胞中脂滴数量显著增加，且细胞大小明显增大，巨噬细胞中APOE KO和APOE4 的脂滴数量也比APOE3显著增加，从而选择APOE KO和APOE3小胶质细胞来筛选脂质调节剂。

 

 

• 优化CRISPR - Cas9核转染技术：为实现iPSC衍生髓系细胞的高效基因敲除，且不影响细胞抗病毒特性，研究人员对巨噬细胞的CRISPR - Cas9核转染方案进行优化。他们测试了不同基础培养基、脉冲代码设置和Cas9:sgRNA比例，最终确定DMEM/F12和RPMI 1640 为合适的培养基，CM - 137为最佳脉冲代码，2 mg Cas9:25 nmol sgRNA为最优的 RNP 形成比例，并通过敲除Toll样受体4（TLR4）验证了该方案的功能性。

 

• 进行阵列 CRISPR 筛选：构建包含334个与神经退行性变和脂质稳态相关基因的靶向 sgRNA文库，每个基因有3个sgRNA，分布在4个96孔板中。利用优化后的核转染方法，将sgRNA文库导入APOE KO和APOE3小胶质细胞中，进行阵列基因敲除筛选。实验结束后，通过流式细胞术评估基因敲除效率，用尼罗红染色分析脂滴，确定脂滴调节因子。

 

 

• 评估药效相关通路：通过KEGG通路分析和DAVID生物信息数据库富集分析，探索调节脂质含量的通路及其对 APOE 的依赖性，发现mTOR信号通路在APOE3小胶质细胞中得分最高，而自噬、线粒体自噬和人乳头瘤病毒（HPV）感染通路在APOE KO小胶质细胞中显著富集，且两种细胞系在影响mTORC1通路的基因上有显著相似性。

 

• 验证关键信号通路：对mTORC1信号通路相关基因进行敲除验证，敲除结节性硬化症复合物亚基 2（TSC2）会激活mTORC1，使两种基因型的脂质含量均显著降低；而敲除激活mTORC1信号的基因，如Ras同源脑富集蛋白（RHEB）、雷帕霉素靶蛋白复合物1调节相关蛋白（RPTOR）和mTOR本身，则会增加脂质含量，从而表明mTORC1信号在调节iPSC衍生小胶质细胞的脂质储存中起着重要作用，为开发针对相关疾病的核酸药物提供了潜在靶点和作用机制参考。

 

诺华（Novartis）：技术收购与平台整合

诺华通过战略收购快速强化在iPSC神经元筛选与小核酸药物领域的布局。2025年9月，诺华宣布收购临床前阶段生物技术公司DTx Pharma，获得其专有的脂肪酸配体偶联寡核苷酸（FALCON）平台及针对神经肌肉疾病的小核酸药物管线。DTx Pharma的先导项目DTx-1252用于治疗腓骨肌萎缩症1A型（CMT1A），通过靶向PMP22基因减少异常蛋白表达，该药物的临床前筛选依赖于iPSC来源的雪旺细胞和运动神经元模型，验证了药物对周围神经细胞的靶向治疗效果。

 

 

诺华将DTx的FALCON技术与自身的xRNA平台整合，进一步提升小核酸药物向神经组织的递送效率。其研究团队正在利用iPSC来源的神经元模型，优化脂肪酸偶联小核酸的结构设计，增强药物在神经元中的胞内摄取能力，同时通过该模型评估药物的神经毒性和长期安全性。此外，诺华在阿尔茨海默病领域的研究中，采用患者来源的iPSC神经元构建tau蛋白病变模型，筛选能够抑制tau蛋白聚集的小核酸药物，目前已有多个候选药物进入临床前优化阶段。

 

百健（Biogen）：合作研发与疾病模型构建

百健通过与专注于基因编辑和iPSC技术的公司合作，强化神经领域小核酸药物的筛选能力。2020年2月，百健与Sangamo达成全球独家合作，获得用于治疗tau蛋白病变（如阿尔茨海默病）的ST-501、突触核蛋白病（如帕金森病）的ST-502等项目的开发权。合作中，双方利用Sangamo的锌指核酸酶技术修饰iPSC，构建携带疾病特异性突变的神经元模型，用于小核酸药物的靶点验证和药效筛选。

 

百健在ALS领域的研究中，采用ALS患者来源的iPSC分化运动神经元，建立了高通量筛选平台，用于识别能够保护运动神经元免受退化的小核酸药物。该平台已筛选出多个靶向神经营养因子信号通路的候选药物，目前处于临床前研究阶段。此外，百健还利用iPSC神经元模型研究小核酸药物穿越血脑屏障的效率，通过优化药物化学结构和递送系统，提升药物在中枢神经系统的浓度。

 

其他国际企业动态

日本武田制药（Takeda）聚焦罕见神经疾病，构建了包含多种遗传亚型的iPSC神经元库，用于筛选治疗遗传性小脑共济失调的小核酸药物，目前已与多家生物技术公司合作开发药物递送技术；美国Vertex Pharmaceuticals通过收购iPSC技术公司增强内部研发能力，其开发的用于治疗脊髓损伤的小核酸药物，借助iPSC来源的神经元模型完成了临床前药效评估，验证了药物对神经再生的促进作用；德国默克（Merck KGaA）则开发了自动化iPSC神经元筛选系统，结合AI算法分析药物对神经元电生理活性的影响，显著提升了小核酸药物筛选的效率。

 

（二）国内公司：技术追赶与临床转化推进

1. 士泽生物：细胞治疗管线支撑药物筛选布局

士泽生物作为国内iPSC领域的领军企业，其在神经细胞治疗领域的技术积累为小核酸药物筛选提供了坚实基础。公司两款通用型iPSC衍生神经前体细胞药物XS-411注射液（用于帕金森病）和XS-228注射液（用于ALS）已获FDA批准开展注册临床试验，相关的iPSC神经元诱导分化技术达到国际先进水平。

 

基于成熟的iPSC神经元培养体系，士泽生物已建立小核酸药物筛选平台，可提供患者来源的神经元模型用于药物靶点验证、药效评估和安全性检测。该平台目前聚焦帕金森病和ALS的小核酸药物筛选，通过检测药物对多巴胺能神经元存活、运动神经元轴突生长的影响，以及对致病蛋白表达的调控作用，为合作企业提供筛选服务。此外，士泽生物正在开发“iPSC神经元+类器官”复合模型，进一步提升药物筛选的精准性。

 

2. 中盛溯源：全产业链布局与技术平台构建

中盛溯源由iPSC领域专家俞君英博士创立，在iPSC重编程和分化技术方面具有深厚积累，目前已有6款iPSC来源的细胞药物进入1/2期临床试验阶段，覆盖神经退行性疾病、心血管疾病等领域。公司构建了符合GMP标准的iPSC细胞库，包含多种神经系统疾病患者的细胞系，为小核酸药物筛选提供标准化细胞材料。

 

中盛溯源开发的非病毒重编程技术，有效降低了iPSC的致瘤风险，提升了筛选模型的安全性；同时，公司结合CRISPR基因编辑技术，能够精准修饰iPSC的致病基因，构建基因编辑后的对照模型，用于评估小核酸药物的特异性疗效。目前，中盛溯源已与国内多家小核酸药物企业达成合作，提供定制化的iPSC神经元筛选服务，加速药物研发进程。

 

3. 艾尔普再生医学：国家级细胞库支撑技术转化

艾尔普再生医学是国内唯一承担国家级iPSC细胞库建设的企业，拥有B+A洁净度的GMP级实验室，累计布局50+项知识产权及专利技术，其iPSC重编程效率处于行业领先水平。公司在神经领域的研究聚焦于阿尔茨海默病和帕金森病的模型构建，已建立标准化的iPSC神经元诱导流程。

 

依托国家级iPSC细胞库的资源优势，艾尔普再生医学构建了大规模的疾病特异性神经元模型库，为小核酸药物筛选提供多样化的细胞工具。公司开发的高通量筛选平台可同时检测数百种小核酸药物对神经元的影响，包括细胞活力、基因表达调控、病理特征改善等多个指标。此外，艾尔普再生医学还在探索iPSC神经元与微流控芯片的结合，构建更贴近体内环境的“器官芯片”筛选模型。

 

4. 睿健医药：AI+化学诱导技术赋能筛选创新

睿健医药专注于“AI+化学诱导”的iPSC技术平台，开发通用型细胞治疗药物，其在神经退行性疾病领域的技术布局为小核酸药物筛选提供了独特视角。公司通过AI算法优化iPSC向神经元的分化条件，显著提升了神经元的产量和功能成熟度，相关技术已应用于药物筛选平台的构建。

睿健医药与药明生物共建的无锡基地，配备了先进的自动化筛选设备，可实现小核酸药物的高通量筛选与数据分析。该平台结合化学诱导的iPSC神经元模型，重点筛选针对帕金森病的小核酸药物，通过AI预测药物的靶点结合效率和细胞摄取能力，缩短筛选周期。此外，公司与汉钟精机合作开发医用真空泵，降低了筛选平台的设备采购成本，提升了产业化竞争力。

 

5. 其他国内企业动态

华大吉诺因利用基因测序技术优势，构建了包含多种神经疾病突变位点的iPSC神经元库，为小核酸药物提供靶点验证服务；启函生物通过多能干细胞分化技术，开发了高纯度的iPSC神经元模型，已与国内外多家小核酸药物公司达成合作；霍德生物聚焦iPSC来源的谷氨酸能神经元和γ-氨基丁酸能神经元模型构建，用于筛选治疗癫痫、精神分裂症的小核酸药物，目前相关模型已进入商业化推广阶段。

 

四、技术发展趋势与挑战

（一）技术发展趋势

1. 模型复杂度提升：iPSC神经元与其他细胞类型（如小胶质细胞、星形胶质细胞）共培养构建的类器官模型，将更精准模拟神经系统的微环境，提升药物筛选的临床相关性；空间转录组学和单细胞测序技术的应用，将进一步解析神经元的异质性，为精准筛选提供支撑。
2. 技术融合加速：CRISPR碱基编辑、引导编辑技术与iPSC的结合，将实现致病基因的精准修正，用于评估小核酸药物的治愈潜力；AI技术在筛选过程中的深度应用，将实现药物活性、毒性的预测性分析，显著提升筛选效率。
3. 标准化与自动化推进：行业将逐步建立iPSC神经元的质量控制标准，包括细胞纯度、活性、稳定性等指标；自动化培养和筛选系统的普及，将降低操作误差，实现筛选数据的可重复性。
4. 多领域协同创新：小核酸药物企业与iPSC技术公司的合作将更加紧密，形成“细胞模型-药物研发-临床验证”的协同链条；跨学科技术融合（如纳米递送技术、微流控技术）将进一步拓展iPSC神经元筛选的应用场景。

 

（二）面临的挑战

1. 技术瓶颈：iPSC神经元的长期体外培养稳定性不足，部分模型难以维持成熟的神经功能；小核酸药物在神经元中的递送效率仍需提升，尤其是中枢神经系统的药物递送问题尚未完全解决。
2. 成本控制：iPSC的重编程、分化及筛选过程成本较高，大规模商业化应用需要进一步优化工艺，降低生产成本。
3. 监管体系不完善：目前针对iPSC来源模型用于药物筛选的监管标准尚未完全建立，不同地区的审批要求存在差异，影响技术的推广应用。
4. 临床转化衔接不足：部分筛选模型的药效评估结果与临床试验数据的关联性仍需验证，需要加强临床前研究与临床研究的衔接。

 

 五、结论与展望

iPSC来源的神经元作为小核酸药物筛选的核心工具，正在重塑神经系统疾病药物研发的格局。该技术通过精准模拟人类疾病病理特征，有效解决了传统筛选模型的物种差异和遗传背景单一性问题，显著提升了小核酸药物研发的效率和成功率。国际巨头凭借技术积累和战略收购占据领先地位，国内企业则通过技术追赶和临床转化加速布局，行业呈现出“技术融合、合作共赢”的发展态势。

 

未来，随着iPSC神经元诱导技术的不断优化、AI与高通量筛选的深度融合，以及行业标准的逐步完善，该领域将迎来快速发展期。预计5-10年内，基于iPSC神经元筛选的小核酸药物将在更多神经疾病领域取得突破，尤其是在罕见神经遗传病的治疗中实现广泛应用。对于企业而言，加强技术创新、构建标准化平台、深化跨领域合作，将是提升核心竞争力的关键。同时，监管机构需加快建立适配的监管体系，推动技术的规范化应用，为神经系统疾病患者带来更多创新疗法。

 

六、参考文献

1. Takahashi K, Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors[J]. Cell, 2006, 126(4): 663-676.
2. 诱导多能干细胞向运动神经元分化研究进展[J]. 中国细胞生物学学报, 2025, 47(7): 1215-1223.
3. 破局与融合：iPSC技术迈向临床应用的创新之路[EB/OL]. 动脉网, 2025-08-28.
4. Novartis acquires DTx Pharma to strengthen neuroscience pipeline[EB/OL]. Novartis Official Website, 2025-09-26.
5. Biogen and Sangamo enter global collaboration for neuroscience programs[EB/OL]. CPHI制药在线, 2024-08-13.
6. 士泽生物通用型iPSC细胞药物获FDA临床批准[EB/OL]. 医药观澜, 2025-03-15.
7. CRISPR筛选iPSC-洞察与解读[EB/OL]. 原创力文档, 2025-10-11.