小鼠模型中KPTN相关疾病的临床谱系与神经发育发病机制探索

时间:2026年2月18日
来源:Annals of Neurology

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这项研究系统描绘了KPTN相关疾病(KRD)的临床和遗传全景,揭示了该神经发育障碍以智力障碍、巨脑畸形(macrocephaly)和癫痫为核心特征,并伴有mTOR信号通路过度激活。作者通过分析71例患者(含48例新病例)和基因敲除(KO)小鼠模型,首次证实KPTN缺失会导致依赖mTOR的细胞增大和皮质下白质神经元异位,为理解这一罕见病的发病机制提供了关键实验证据。

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临床谱系与遗传特征

本研究报道了71例KPTN相关疾病(KRD)患者的临床表型和基因型数据,其中包含48例新诊断患者。数据分析发现,智力障碍(ID)是所有患者的共有特征。巨脑畸形(头围≥+2 SD)和癫痫的发生率分别为46%和47%。患者头围在出生时通常正常,但在出生后6个月内迅速增大,呈现出进展性巨脑畸形的特点
神经影像学显示大脑整体增大但无明显的结构性畸形。行为表型包括焦虑、刻板行为和社交障碍等。研究还发现了一个新特征:约7%的患者存在酮症性低血糖。
遗传分析确定了22种致病性KPTN变异,其中15种为首次报道。这些变异分布在整个KPTN基因上,但所有错义变异都位于高度保守的整合素α结构域内
有趣的是,对42名携带单个致病等位基因(杂合子)的父母进行分析发现,他们的平均头围也显著大于普通人群(平均Z值=0.78),表明致病性KPTN等位基因可能对头围存在剂量效应。

临床管理探索

基于表型数据,研究提出了针对KRD患者的临床管理指南。鉴于KPTN是mTOR(哺乳动物雷帕霉素靶蛋白)调控复合物KICSTOR的组成部分,临床前数据提示mTOR信号通路在KRD中过度激活,研究者对两名患有药物难治性癫痫(DRE)的KRD患者进行了mTOR抑制剂西罗莫司(sirolimus)的扩大使用治疗试验。然而,在为期6个月和3-4周的试验中,两名患者均未显示出癫痫发作频率的改善,其中一名患者甚至出现了新发作类型(痴笑发作)。这表明,至少对于年龄较大的青少年患者,短期西罗莫司治疗可能无法有效控制KRD相关癫痫,早期干预或许是一个潜在的研究方向。

KPTN在细胞和动物模型中的功能研究

为了探究KPTN在神经发育中的作用,研究团队在体外和体内进行了功能缺失研究。利用CRISPR/Cas9技术在Neuro2a(N2a)细胞中敲除Kptn基因后,细胞显示出mTOR信号通路活化增强(表现为磷酸化S6蛋白增加)以及细胞胞体尺寸增大。这些变化可通过雷帕霉素(rapamycin)或Torin1等mTOR抑制剂处理而逆转,证实其mTOR依赖性。
在Kptn基因完全敲除(Kptn−/−)的小鼠模型中,研究者观察到类似现象:小鼠皮质中磷酸化S6蛋白水平升高,且雷帕霉素治疗可有效降低该磷酸化水平。
更重要的是,组织学分析揭示了Kptn−/−小鼠大脑皮质下白质中存在神经元异位现象。为了验证这是否由神经元迁移缺陷引起,研究者通过子宫内电穿孔(in utero electroporation)技术在胚胎期小鼠大脑皮层进行局部Kptn敲除。结果同样导致神经元异位到皮质下白质,部分神经元甚至出现在出生日期不匹配的皮质深层
这些发现表明,KPTN功能的丧失会干扰神经元在发育过程中的正常迁移和定位。

癫痫易感性评估

尽管约47%的KRD患者患有癫痫,但Kptn−/−小鼠在连续5天的视频脑电图(EEG)监测中并未记录到自发性癫痫发作或发作间期癫痫样放电。此外,在使用戊四氮(PTZ)诱发癫痫发作的阈值测试中,Kptn−/−小鼠与野生型或杂合子小鼠相比,也未表现出更低的癫痫发作阈值。这与临床观察中超过一半的KRD患者不出现癫痫发作的现象一致,提示癫痫可能并非KPTN功能丧失的直接或必然结果,而是受其他遗传或环境因素调控的可变表型。

讨论与未来方向

本研究极大地扩展了KRD的临床和遗传学认知。智力障碍是KRD的普遍特征,而巨脑畸形和癫痫则是可变表现。对患者头围的动态观察强调了该病的进展性,并为可能的早期治疗干预提供了时间窗口。杂合子携带者头围增大的发现,提示了KPTN等位基因的剂量敏感效应。
在机制层面,研究明确将KPTN功能缺失与mTOR信号通路过度激活联系起来,并在细胞和动物模型中验证了这种激活的mTOR依赖性。皮质下白质神经元异位的发现,将KRD与另一种由STRADA基因突变引起的巨脑畸形综合征(Pretzel综合征)联系起来,二者均涉及mTOR通路调控异常和相似的皮层发育微结构改变。
尽管mTOR抑制剂西罗莫司在两名患者中的初步试验未能改善癫痫,但这并不排除mTOR靶向治疗对KRD其他核心特征(如巨脑畸形或神经发育)的潜在益处。鉴于大脑过度生长主要发生在出生后早期,未来研究应探索在更早期、更长时间窗内进行mTOR抑制治疗的可能性。总体而言,本研究将KRD确立为一种由KICSTOR复合体功能失调引起的“KICSTOR病”,其核心特征是mTOR信号通路过度激活,为进一步理解其病理生理机制和探索靶向治疗策略奠定了基础。

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