Nature Communications｜AI 先筛、脑类器官再验证，为罕见线粒体病药物发现提供新路径

对于这类罕见神经发育疾病，药物发现长期受限于合适模型不足。患者样本有限，动物模型也不一定能稳定复现人类疾病特征。以 SURF1 相关 Leigh 综合征为例，SURF1 敲除小鼠并不会形成典型 Leigh 样表型，反而可出现寿命延长，说明部分小鼠模型可能存在人类不具备的代偿机制。

2026 年 4 月，Nature Communications发表题为“Accelerating Leigh syndrome drug discovery through deep learning screening in brain organoids”的研究。本研究基于 Leigh 脑类器官的单细胞 RNA 测序数据建立深度学习药物筛选框架，并在 SURF1 同源基因 SHY1 缺失的酵母模型中筛选2250 种FDA已批准药物。

两条独立筛选路线共同指向唑类化合物，其中他拉罗唑（talarozole）和舍他康唑（sertaconazole）可改善 Leigh 神经细胞的形态发生，并降低 Leigh 中脑类器官的乳酸释放、改善异常生长表型。

1. 基于脑类器官单细胞数据建立深度学习筛药框架

研究团队重新分析 Leigh 脑类器官的单细胞转录组数据，发现模型中放射状胶质细胞（radial glia，RG）样祖细胞仍然存在，但中间祖细胞（intermediate progenitor cells，IPCs）和成熟神经元明显不足。

基于这一异常发育轨迹，研究团队利用深度学习模型预测可推动细胞向神经命运转变的候选药物。

2. AI 预测与酵母药筛共同锁定唑类化合物

除计算筛选外，研究团队还在 SHY1 缺失酵母模型中筛选 2250 种 FDA 已批准药物。两条独立筛选路线均指向唑类化合物，最终筛出 9 个候选再利用药物，为后续人源细胞和类器官验证提供了更明确的候选范围。

3. talarozole 和 sertaconazole 改善 Leigh 神经细胞表型

在人源诱导神经元（induced neurons，iNs）模型中，Leigh 细胞的神经元生成能力下降。

talarozole 和 sertaconazole 处理后，Leigh 神经细胞的神经形态发生得到改善；两种药物也在 SHY1 缺失酵母模型中表现出剂量依赖性保护作用。

4. 构建 Leigh 中脑类器官用于三维模型验证

Leigh 综合征常累及基底节和中脑区域。研究团队进一步构建中脑类器官（midbrain organoids，MOs），发现 Leigh 中脑类器官可重现神经发育轨迹异常、乳酸释放升高以及代谢应激下钙信号反应不足等疾病相关表型。

5. 候选药物改善中脑类器官中的关键病理表型

talarozole 和 sertaconazole 处理后，Leigh 中脑类器官异常生长速率下降，培养基中乳酸释放减少。其中 talarozole 还增加了酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase，TH）阳性神经元数量，并增强代谢应激条件下的钙信号反应。

1. 深度学习从脑类器官发育轨迹中寻找药物线索

Leigh 综合征通常被归为线粒体能量代谢疾病，但本项研究首先关注到了另一个重要表型：SURF1 缺陷会影响人神经细胞发育和神经元生成。

研究团队重新分析 Leigh 脑类器官的单细胞 RNA 测序数据。正常脑类器官中，细胞可沿着放射状胶质细胞→中间祖细胞→成熟神经元的方向逐步分化；Leigh 脑类器官中，放射状胶质样祖细胞仍然存在，但中间祖细胞和神经元明显减少。

围绕这一发育阻滞表型，研究者建立深度学习药物再利用框架，该模型用来预测哪些小分子可能推动细胞从异常停滞的祖细胞状态转向神经命运。经过多阶段筛选，研究团队获得 34 个深度学习预测药物，并结合代谢功能和人体安全性信息，优先选择 5 个进入后续验证。

与此同时，研究团队在 SHY1 缺失酵母模型中开展药物再利用筛选。在 2250 种 FDA 已批准药物中，表现较好的候选物集中在唑类化合物。

AI 预测和酵母筛选彼此独立，却指向相近药物类别，提高了候选药物进入后续验证的可信度。

2. 人源诱导神经元中验证候选药物

计算筛选和酵母筛选确定候选方向后，研究团队进一步在人源神经细胞中验证药物作用。

研究团队通过神经发生素 2（NGN2）过表达，将 Leigh 神经祖细胞（NPCs）和同基因对照神经祖细胞快速诱导为神经元，并利用 HCA 定量 MAP2 阳性神经元。Leigh 诱导神经元数量低于对照，说明 SURF1 缺陷会影响神经祖细胞进入神经元命运。

在候选药物中，talarozole 和 sertaconazole 表现较为突出。

两种药物能够改善 Leigh 诱导神经元的神经元生成表型，并在 SHY1 缺失酵母模型中呈现浓度依赖性保护作用。talarozole 可使突变酵母生存率提高超过两倍，sertaconazole 也显示接近两倍的保护效果。

这一步让候选药物从计算预测和低成本酵母筛选，进一步进入人源疾病相关细胞验证。

对于罕见病药物再利用来说，这种分层验证能减少直接进入复杂三维模型的试错成本，也能更早排除缺乏人源细胞效应的候选物。

3. 中脑类器官重现 Leigh 相关疾病表型

Leigh 综合征常累及基底节和中脑区域。研究团队因此构建 Leigh 中脑类器官，用于评估候选药物在更复杂、更接近疾病相关脑区的三维模型中的作用。

该中脑类器官模型包含 SOX2、NESTIN 阳性祖细胞，也包含 MAP2 阳性成熟神经元，以及 TH、NURR1 等中脑多巴胺能神经元相关标志。研究团队利用单细胞转录组分析 Leigh 与对照中脑类器官，确认其同样存在放射状胶质细胞→中间祖细胞→神经元方向的发育轨迹，并可复现 Leigh 脑类器官中观察到的关键异常。

在功能层面，Leigh 中脑类器官释放乳酸增加。乳酸升高是 Leigh 综合征的重要诊断相关特征之一，通常与氧化磷酸化障碍后糖酵解代偿增强有关。

在代谢应激条件下，Leigh 中脑类器官未能像对照类器官一样增强钙信号反应，说明其面对急性能量压力时适应能力不足。

这些表型为候选药物验证提供了可量化读数：药物是否能够降低乳酸释放、改善异常生长，并增强代谢应激下的神经功能反应。

4. talarozole 和 sertaconazole 改善中脑类器官关键表型

进入三维中脑类器官验证后，研究团队采用低毒性浓度对 Leigh 中脑类器官进行长期处理。sertaconazole 和 talarozole 均降低了 Leigh 中脑类器官的异常生长速率，但没有完全恢复到同基因对照水平。

两种药物还使培养基中的乳酸释放下降约 20%，说明线粒体相关代谢异常得到一定缓解。在神经元表型方面，talarozole 增加了 TH 阳性神经元数量，并提高了中脑类器官中具有钙活动的细胞比例。在代谢应激条件下，talarozole 处理后的 Leigh 中脑类器官钙信号反应增强约两倍。

talarozole 和 sertaconazole 并没有完全逆转 Leigh 中脑类器官的所有异常。两种药物均改善了部分关键病理表型，其中 talarozole 在神经元和钙信号相关指标上的表现更突出。

这部分结果将候选药物的作用从二维神经细胞扩展到三维脑类器官模型，也说明中脑类器官可作为 Leigh 综合征药物验证中的功能评价平台。

5. 候选药物影响能量代谢和膜相关脂质

Leigh 综合征的核心问题与线粒体能量代谢有关。为了判断候选药物是否真正影响代谢状态，研究团队进一步开展靶向代谢组和脂质组分析。

Leigh 神经祖细胞中 AMP/ATP 比值异常升高，说明能量状态受损。talarozole 可改善这一异常，而 sertaconazole 在该指标上的改善未达到显著水平。但两种药物均可恢复部分三羧酸循环中间产物，其中 talarozole 对草酰乙酸的恢复更明显。

在脂质代谢方面，两种药物都影响膜相关脂质。Leigh 神经祖细胞中膜结合胆固醇水平降低，在药物处理后这一指标升高。

膜脂和胆固醇与神经突起生长、膜结构和神经形态发生有关，这部分结果为前面观察到的神经形态改善提供了机制线索。

6. 机制分析指向视黄酸通路和 PPARγ 相关调控

为进一步解释两种唑类药物的作用，研究团队从分子结构和信号通路两个层面进行分析。

talarozole 是视黄酸（RA）代谢阻断剂，可抑制 CYP26A1/B1，从而增强 RA 通路活性。分子对接预测显示，talarozole 和 sertaconazole 都可能与 CYP26 相关酶结合，其中 talarozole 结合能力更强。

转录检测也显示 RA 通路参与其中，Leigh 神经细胞中 RA 代谢相关基因异常，药物处理后 CYP26B1 等基因表达受到调节。

研究团队同步评估了过氧化物酶体增殖物激活受体 γ（PPARγ）结合可能性，结果显示两种药物也可能影响 PPARγ 相关调控。

整体来看，talarozole 更偏向改善线粒体能量代谢和 RA 通路相关异常，sertaconazole 对脂质代谢和膜相关状态影响更突出。

两种药物并非通过单一机制发挥作用，而是共同影响神经发育、能量代谢和膜脂稳态等 Leigh 病理相关环节。

该研究为 Leigh 综合征候选药物发现提供了一条较完整的实验路径：先利用脑类器官单细胞数据识别异常发育轨迹，再通过深度学习预测可能推动神经命运转变的药物，同时结合酵母模型开展快速筛选，最后在人源神经细胞和中脑类器官中逐级验证。

对于罕见神经发育疾病而言，患者样本有限，动物模型并不总能重现人类疾病特征，直接开展大规模人源细胞筛选又成本较高。本研究将计算筛选和实验模型结合起来，有助于提高候选药物发现效率。

该研究也展示了脑类器官在药物发现中的功能价值。

Leigh 中脑类器官不仅重现了乳酸释放升高、异常生长和代谢应激反应不足等表型，还作为药物评价模型，用于判断候选药物是否能够改善疾病相关指标。