《Scientific Reports》：Vascularized human brain organoids as a model of the brain–peripheral axis in HIV-1 neuropathogenesis
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本研究针对HIV-1感染中枢神经系统(CNS)过程中血脑屏障(BBB)功能障碍的关键问题，开发了包含内皮细胞的血管化人脑类器官(EndohBOs)模型。研究人员通过共培养正常人诱导多功能干细胞(hiPSCs)与ETV2过表达iPSCs，成功构建了具有功能性血管网络的脑类器官。结果表明，该模型能显著增强HIV-1感染原始巨噬细胞祖细胞(PMPs)的跨内皮迁移，且抗逆转录病毒治疗(ART)在血管化类器官中抑制病毒复制效果有限，揭示了内皮细胞在HIV神经发病机制中的关键作用。这一模型为研究HIV-1神经病理机制和CNS靶向治疗提供了更生理相关的平台。
尽管抗逆转录病毒治疗(ART)显著改善了艾滋病患者的生存率，但HIV-1感染仍然对中枢神经系统(CNS)构成严重威胁。病毒能够突破血脑屏障(BBB)，在大脑中建立潜伏病毒库，导致HIV相关神经认知障碍(HAND)。这一临床难题的核心在于，我们缺乏能够真实模拟人脑复杂微环境，特别是包含功能性血管系统的研究模型。传统脑类器官虽然能模拟脑组织的基本结构，但缺乏血管网络，限制了其模拟免疫细胞迁移、药物渗透等关键病理过程的能力。
针对这一技术瓶颈，匹兹堡大学研究团队在《Scientific Reports》发表了创新性研究成果。他们成功开发了血管化人脑类器官模型，首次实现了HIV-1感染过程中"脑-外周轴"的体外模拟，为理解HIV神经发病机制提供了全新平台。
研究团队采用了几项关键技术方法：通过共培养正常人诱导多能干细胞(hiPSCs)与ETV2过表达iPSCs，优化细胞比例为2:1，成功生成包含内皮网络的血管化脑类器官(EndohBOs)；利用hiPSC来源的原始巨噬细胞祖细胞(PMPs)感染HIV-1 Bal-iRFP报告病毒，模拟免疫细胞携带病毒进入大脑的过程；采用包含替诺福韦、恩曲他滨和多替拉韦的组合ART方案进行药效评估；通过免疫荧光染色、共聚焦显微镜、qRT-PCR和ELISA等多种技术系统评估类器官的血管网络形成、病毒复制和炎症反应。
生成和表征来自hiPSC的EndohBO
研究人员通过将正常人hiPSC与ETV2-iPSC转基因系以2:1比例共培养，成功生成了包含内皮细胞的人脑类器官(EndohBOs)。免疫荧光分析显示，EndohBOs在培养过程中逐渐形成CD31阳性内皮细胞网络，至第65天时出现明显的血管样结构。定量分析表明，与不含内皮细胞的普通脑类器官(hBOs)相比，EndohBOs具有更长的总血管长度、更大的血管直径、更多的分支数量和更少的端点。15天类器官中ZO-1染色证实了紧密连接的存在，表明形成了功能性的内皮屏障。此外，类器官中还存在MAP2阳性神经元、GFAP阳性星形胶质细胞和Iba-1阳性小胶质细胞等主要神经细胞类型。qRT-PCR分析显示，EndohBOs中CD31(PECAM1) mRNA表达随时间显著上调，进一步证实了内皮细胞的存在和维持。
EndohBO类器官重现人脑组织
通过对比EndohBOs和正常人脑组织的免疫荧光分析，研究发现EndohBOs成功重现了人脑血管单元的关键结构特征。CD31阳性内皮细胞呈现连续线性排列，与胶原IV丰富的基底膜紧密结合，GFAP阳性星形胶质细胞与内皮细胞紧密相邻，这种空间关系与人脑组织中的神经血管单元结构高度相似。
PMPs感染
hiPSC来源的原始巨噬细胞祖细胞(PMPs)感染HIV-1 Bal-iRFP报告病毒后，通过荧光成像、p24 ELISA和qRT-PCR分析证实了成功的病毒感染和复制。感染PMPs表达Iba1，显示其向小胶质细胞样表型分化。ART处理能显著降低感染单核细胞中的p24水平和Gag、Integrase转录水平。
感染单核细胞在EndohBO类器官中迁移能力和感染性增强
将HIV-1感染的PMPs纳入EndohBOs和hBOs后，研究发现EndohBOs中HIV阳性PMPs的浸润数量显著高于hBOs。感染后30天，迁移的感染PMPs分化为小胶质细胞/巨噬细胞样细胞。病毒复制能力评估显示，EndohBOs中p24水平显著高于hBOs。有趣的是，ART处理后，hBOs中病毒载量显著降低，而EndohBOs中Gag、Integrase表达和p24水平基本不变，表明ART在血管化类器官中抑制病毒复制效果有限。细胞因子分析显示，EndohBOs中内皮细胞活化标志物ICAM-1和VCAM-1表达显著上调，促炎因子TNF-α和IL-1β水平也升高。
HIV-1感染单核细胞破坏内皮细胞完整性
感染后10天的免疫染色分析显示，大多数HIV-1感染单核细胞位于内皮细胞下方或部分包裹，相邻内皮细胞出现明显的结构破坏，呈现碎片化、圆形外观。定量分析表明约60%的内皮细胞被HIV-1感染单核细胞完全或部分破坏。qRT-PCR分析显示感染EndohBOs中CD31(PECAM1)表达显著下调。
研究结论和讨论部分强调，血管化脑类器官模型成功重现了人脑血管系统的关键特征，为研究HIV-1神经发病机制提供了更生理相关的平台。该模型首次证实了内皮细胞在促进HIV-1感染单核细胞迁移和病毒持久性中的关键作用。特别重要的是，研究发现ART在血管化类器官中抑制病毒复制效果有限，这可能模拟了临床中血脑屏障限制药物渗透导致的病毒庇护所现象。内皮细胞活化标志物上调和促炎因子增加表明，该模型成功模拟了HIV感染中的神经炎症环境。
尽管该模型目前缺乏周细胞和流体灌注系统，限制了完全重现血脑屏障生理功能的能力，但它代表了脑类器官技术的重要进步。这一血管化脑类器官平台不仅为研究HIV神经发病机制提供了强大工具，也为评估ART药物渗透性、分布和疗效，以及开发针对神经认知障碍的新治疗策略提供了独特机会。未来整合周细胞和建立微流体系统将进一步完善该模型，使其更能模拟体内神经血管单元的复杂性。
