《Tissue and Cell》：Advances in cellular and structural engineering of brain organoids for disease modeling: A Comprehensive Review
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这篇综述系统性回顾了脑类器官（Brain Organoids）技术的突破性进展，强调其在细胞组分、支持细胞、三维架构及微环境调控（特别是针对阿尔茨海默病、帕金森病及精神分裂症等重大神经疾病）方面的前沿创新。
脑类器官：模拟人脑发育与疾病的革命性平台
类器官技术已迅速发展为模拟人类生理与疾病的变革性工具。脑类器官作为三维、干细胞衍生的结构，能通过自组织重现原生器官的关键结构与功能特征，克服了传统二维培养和动物模型的局限。这些模型紧密模仿了人脑的结构、细胞多样性和区域特异性，为机制研究提供了生理相关的平台。因此，脑类器官已成为研究阿尔茨海默病、帕金森病和精神分裂症等复杂神经系统疾病不可或缺的工具。
传统模型的局限与脑类器官的优势
尽管研究数十年，但由于现有实验模型的局限，人们对脑疾病的发病和进展机制的理解仍存在关键缺口。传统的二维体外系统，如神经元或胶质细胞的单层培养，被广泛用于研究疾病相关细胞表型。然而，这些方法无法重现人脑中复杂的立体结构、细胞群体多样性及动态相互作用。动物模型，尤其是基因修饰小鼠，为疾病相关基因和通路提供了宝贵见解，但物种间在大脑结构、基因表达和寿命方面的差异常导致其对人类疾病结果的预测能力不佳。
相比之下，脑类器官是源自人多能干细胞的三维结构，通过自组织来模拟人脑早期发育阶段。它们表现出神经发育的关键特征，包括神经上皮组织、分层结构和多样化的神经细胞类型。脑类器官的核心特征是其内在的自组织能力，能够在没有外部模式化的条件下自发形成复杂结构，这使其能够更生理相关地模拟大脑发育和疾病。
脑类器官的主要类型及其应用
根据目标脑区域的不同，研究者开发出了多种定向分化的脑类器官。其中，皮质类器官、海马类器官和中脑类器官因其区域特异性分化和可重复性，成为疾病建模中最相关的类型。
皮质类器官旨在复制人脑皮质的结构和细胞类型多样性。它们通常使用双SMAD抑制（Noggin和SB431542）和Wnt调控来引导多能干细胞向背侧前脑命运分化。海马类器官则旨在模拟对学习和记忆至关重要的海马区——这是在阿尔茨海默病中最先受累的区域之一，通常通过背内侧端脑模式化诱导。中脑类器官专门用于生成多巴胺能神经元并重现人中脑的关键特征，通过SHH和FGF8等腹侧化信号诱导形成。
这些区域特异性脑类器官为模拟不同的大脑结构和相关病理提供了量身定制的平台。例如，海马是阿尔茨海默病早期退变的关键部位，而中脑则与帕金森病的多巴胺能神经元丢失密切相关。因此，精确引导类器官身份的能力对于以更高分辨率模拟区域选择性病理至关重要。
脑类器官在脑疾病研究中的应用
脑类器官技术的出现使得在人类特异性背景下模拟复杂神经疾病成为可能。这些平台现在支持的应用已超越发育和结构研究，允许深入探索疾病进展的机制、临床前药物评估和患者特异性治疗策略。
在疾病建模方面，阿尔茨海默病已使用源自携带家族性基因突变患者特异性诱导多能干细胞（iPSCs）的脑类器官进行建模。这些类器官表现出标志性病理，包括Aβ42/Aβ40比率升高、磷酸化Tau蛋白积累以及过早的神经上皮结构紊乱。帕金森病则使用中脑类器官进行研究，生成的FOXA2+/TH+多巴胺能神经元重现了中脑特异的分子特征。精神分裂症患者来源的类器官则揭示了关键的神经发育改变，包括谷氨酸能成熟受损、突触密度降低和神经迁移异常。
在药物筛选与开发方面，脑类器官同样展现出巨大潜力。例如，已有研究利用患者来源的脑类器官重现Aβ和Tau病理，建立了整合1300个类器官和CRISPR编辑等基因系的高通量筛选流程，用于评估美国食品药品监督管理局批准的、能透过血脑屏障的药物。在中脑类器官中，通过结合三维凹面电极实时检测多巴胺分泌，能够评估左旋多巴诱导的神经递质释放。
在个性化医疗领域，使用患者来源的脑类器官代表了精准医学的重大进步。通过从患者组织重编程的iPSCs生成脑类器官，可以保留供体特异性基因型，从而在不进行侵入性操作的情况下研究病理生理机制并确定患者有反应的治疗方案。Hi-Q脑类器官系统等高通量平台能够从不同患者持续生成数千个具有可靠细胞结构和成熟度的均一类器官，为个性化疾病建模和药物反应分析提供了坚实基础。
脑类器官技术的最新进展
为了克服传统脑类器官的局限性，如缺乏血管化导致的中心坏死、细胞类型不完整以及可重复性差等问题，研究者们在多个层面取得了重要进展。
在细胞层面，通过整合小胶质细胞和CRISPR/Cas9基因编辑技术，提升了类器官的生理相关性和功能性。小胶质细胞的引入使得类器官能够模拟关键的神经免疫相互作用，包括突触修剪和炎症反应。CRISPR/Cas9技术则使得能够在三维人类神经发育背景下精确操控特定基因，用于研究神经发育障碍。
在类胚体形成层面，通过使用双SMAD抑制、SHH和Wnt信号进行区域特异性诱导，以及利用平台（如柱板系统）控制类胚体大小和均匀性，提高了类器官的可重复性和区域身份准确性。
在微环境工程方面，血管化策略、细胞外基质与支架工程以及微流控灌注平台的开发，显著改善了类器官的存活率、结构成熟度和功能。例如，神经血管组装体通过融合脑类器官和血管类器官，实现了对血脑屏障完整性的直接建模。基于脱细胞人脑细胞外基质的支架能够显著增强放射状胶质细胞的扩增和皮质层的形成。
在生物工程工具方面，三维生物打印和自动化生物反应器平台等技术的应用，增强了类器官的可扩展性、可重复性和功能复杂性。嵌入式的三维生物打印能够制造支架支持的神经组织，为皮质类器官提供精确的空间组织和长期结构支持。自动化驱动的生物反应器系统则通过减少人工干预，提高了实验的可扩展性和可重复性。
脑类器官的功能与结构分析工具
随着脑类器官变得越来越复杂，需要更精密的方法来表征其结构和功能。先进的单细胞RNA测序技术被用于分析类器官中的细胞多样性和发育轨迹。空间分辨转录组学则能够绘制三维空间中的基因表达模式。在功能评估方面，钙成像、膜片钳和微电极阵列等技术被用于可视化和记录类器官中的同步活动、神经元兴奋性及网络层面的功能。在结构分析方面，共聚焦激光扫描显微镜、透射/扫描电子显微镜以及光片荧光膨胀显微镜等三维高分辨率成像技术，使得能够评估类器官在不同发育阶段的结构完整性和细胞组织。
展望与挑战
脑类器官系统通过组装体、血管整合和患者来源建模等创新技术不断成熟，为弥合神经科学和神经治疗学从基础研究到临床应用的转化鸿沟带来了巨大希望。然而，类器官技术的个性化也带来了伦理挑战，涉及组织所有权、知情同意、商业用途以及高级脑类器官的潜在认知状态等问题。国际干细胞研究学会等组织建议的监管和伦理框架强调，需要建立灵活而严格的监督体系，使其能够跟上技术进步的步伐，同时又不扼杀创新。
总而言之，iPSC技术、类器官可扩展性和伦理治理的融合，为神经学领域基于类器官的精准疗法铺平了道路，确保了科学完整性和社会信任。随着工程策略的持续整合与分析工具的不断进步，脑类器官有望在未来为理解人脑发育、疾病机制以及开发新型疗法发挥更为关键的作用。
