《Cells》：From Brain Organoids to Translational Neurology: Exploring Neuroprotective Targets and Molecular Approaches in Perinatal Brain Injury
Anja Harej Hrka?,
Ana Pel?i?,
Silvestar Me?nari?,
Jasenka Mr?i?-Pel?i? and
Kristina Pilipovi?
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本综述系统探讨了人类脑类器官在围产期脑损伤（PBI）研究中的前沿应用。文章指出，传统模型（动物和2D）在模拟人脑发育复杂性上存在局限，而3D脑类器官可重现区域特异性细胞结构、神经元/胶质分化和早期环路，为研究缺氧缺血和炎症损伤提供了革命性平台。它不仅能模拟损伤机制、识别分子靶点（如Notch、IGF2-IGF2R通路），还能基于患者iPSCs进行个性化药物基因组学研究，从而架起发育神经生物学与转化医学的桥梁，为PBI的靶向和个体化干预铺平了道路。
从脑类器官到转化神经病学：探索围产期脑损伤的神经保护靶点与分子途径
围产期脑损伤（Perinatal Brain Injury, PBI）是新生儿长期神经功能缺损的主要原因，但目前有效疗法有限。在细胞层面，PBI涉及缺氧-缺血应激、神经炎症、氧化损伤、兴奋性毒性和神经血管及胶质发育中断等复杂过程。传统的动物模型和二维（2D）细胞培养无法完全捕捉发育中人脑的时空复杂性，这凸显了对更具生理相关性研究系统的迫切需求。人类脑类器官作为一种先进的三维（3D）模型应运而生，它能够重现区域特异性细胞结构、神经元和胶质细胞分化以及早期神经环路的形成。
发育背景：围产期脑损伤的细胞、分子与线粒体机制
围产期脑损伤并非单一病理事件，而是一个多阶段、多因素的过程。急性缺氧缺血性损伤会触发快速能量衰竭、谷氨酸介导的兴奋性毒性、钙超载和蛋白酶激活，导致原发性的神经元与胶质细胞损伤。与成人大脑不同，围产期大脑有其独特性：线粒体功能障碍是损伤进展的主要驱动力，表现为独特的“二次能量衰竭”过程；兴奋性毒性作用因谷氨酸清除能力较弱而更持久；细胞死亡形式以调节性细胞死亡（如凋亡、自噬性死亡、坏死性凋亡等）为主；神经炎症反应模式也存在差异，例如小胶质细胞反应更快，中性粒细胞浸润较少，星形胶质细胞瘢痕形成能力较弱。此外，血脑屏障（BBB）对炎症信号更敏感，且损伤存在区域选择性易损性，如早产儿易损伤脑室周围白质（靶细胞为少突胶质前体细胞），足月儿则易损伤深部灰质（如基底节和丘脑）。这些机制共同表明，PBI是一种由发育阶段塑造的、在生物学上独特的过程。
新兴研究疗法：细胞疗法、干细胞与细胞外囊泡
鉴于当前疗法有限，基于干细胞（如间充质干细胞、脐带血细胞、神经祖细胞）的再生和修复策略已成为PBI治疗的新希望。临床前研究表明，其益处主要通过旁分泌机制介导，即调节炎症、增强内源性修复、促进血管生成和支持神经发生。而干细胞来源的细胞外囊泡（SC-EVs）被认为是这些效应的关键介质，它们能递送抗炎因子、生长因子和调节性RNA。SC-EVs可能比干细胞更安全有效，因为它们无成瘤性、免疫原性低、可穿透血脑屏障，并且能被工程化以递送治疗性“货物”。
人类脑类器官作为围产期神经发育的高级模型
人类脑类器官由患者来源的诱导多能干细胞（iPSCs）生成，为在人类相关的发育背景下研究损伤机制提供了前所未有的机会。它们能够再现患者特异性疾病表型，在模拟小头畸形、自闭症、Rett综合征等神经发育障碍方面已取得显著进展，极大地增进了我们对疾病机制的理解。然而，目前的类器官模型仍面临细胞不成熟、缺乏某些细胞群（如小胶质细胞和血管细胞）以及细胞应激累积等限制，这影响了其模拟与大脑成熟后期相关疾病的能力。
基于类器官的缺氧缺血性和炎症性围产期脑损伤建模
利用类器官模拟PBI代表了新生儿神经病学的一次重大飞跃。与动物模型不同，人类脑类器官允许研究人员在发育中的人脑背景下，研究对缺氧和炎症等损伤的特异性细胞反应。在实验室中，缺氧缺血性损伤通常通过氧糖剥夺（OGD）模型来模拟，即将成熟类器官置于缺氧室（通常氧含量<1% O2）并用无葡萄糖培养基处理。此外，也可使用化学缺氧模拟剂（如氯化钴、二甲基草酰甘氨酸）或微流控“芯片上的类器官”来精确控制氧环境，模拟局部缺血。由于神经炎症是缺血后二次损伤的重要驱动因素，研究中也常通过添加脂多糖（LPS）或促炎细胞因子（如TNFα和IL-1β）来引入外部炎症刺激。为了更准确地模拟炎症，研究人员现在使用“组装体”，将原始巨噬细胞或小胶质细胞整合到脑类器官中。
来自脑类器官的药物基因组学见解：对个体化靶向治疗的意义
人类脑类器官的出现为在更生理相关的背景下研究PBI开辟了新途径。单细胞转录组学等技术的应用，能够识别缺氧损伤后不同神经细胞类型的特异性反应，揭示谱系特异性的易损性和适应机制。这有助于发现新的治疗靶点，如Notch信号通路、IGF2-IGF2R轴和LGALS3-MERTK通路等。脑类器官已成为筛选神经保护药物和评估其疗效的强大平台。例如，研究已证明米诺环素（一种具有抗炎特性的四环素抗生素）可以减轻新生儿缺氧损伤对人类脑类器官的影响。此外，类器官技术还支持中到高通量的药物筛选，允许在人类特异性背景下定量评估神经保护作用、毒性和发育影响。
患者来源的类器官可以捕获个体间遗传变异对药物反应的影响，从而实现个性化医疗。例如，可以生成来自多个供体的“嵌合体”类器官，以评估个体对神经毒性触发因素的易感性。将机器学习与多组学（转录组、蛋白质组、代谢组）数据整合，能够更稳健地分析药物反应并识别预测性生物标志物，为PBI的精准医学策略提供独特机会。
与现有疗法的整合、挑战与脑类器官引导疗法的未来展望
与药物神经保护的整合
脑类器官最有前景的应用之一是作为测试平台，研究药物如何与细胞疗法联用。在模拟围产期损伤之前或期间，将神经保护化合物应用于类器官，已揭示出在批量组织分析中难以检测的细胞类型特异性保护作用。这提示，不同药物的治疗窗口可能因受伤组织的发育阶段和细胞组成而异。
生物工程方法增强类器官成熟与整合
通过生物工程策略可以增强类器官的体外成熟度和移植后整合。例如，将电刺激应用于脑类器官，可显著增强其体外成熟度，并大幅改善其移植到受伤脑组织后的整合效果。电刺激的类器官显示出更高的存活率、更强的突触活动以及与宿主神经回路更好的结构整合。
类器官移植与功能整合
将脑类器官直接移植到受伤组织中，是一种已显示出巨大潜力的再生医学方法。研究表明，移植的人类脑类器官不仅能够血管化并整合到宿主皮层中，还能建立皮质下投射，甚至对视觉刺激产生反应，与宿主神经元形成功能连接。这为修复受损脑功能和恢复神经回路带来了希望。
类器官疗法面临的技术挑战
在类器官引导疗法广泛应用于临床之前，必须解决几个技术挑战。主要限制包括类器官来源的神经元和胶质细胞成熟不完全，这影响了它们作为疾病模型的效用和作为细胞替代疗法的潜力。此外，大多数类器官缺乏成熟的少突胶质细胞，并且小胶质细胞缺失或不成熟，限制了其模拟损伤神经炎症成分的能力。批次间的差异性和可重复性也是需要标准化的关键问题。
转化障碍与临床考量
将类器官疗法从实验室转化到临床，除了技术挑战外，还面临着许多障碍。关键的一点是需要能够在不同实验室和临床中心实施的标准方案。类器官生物库的开发可能为急性损伤环境提供“即用型”治疗产品，但这需要大量的基础设施，并引发免疫兼容性和质量控制问题。围绕类器官疗法的伦理问题也相当复杂，包括意识出现的可能性、供体细胞同意要求以及人脑组织利用的伦理边界等，这需要与多方利益相关者深入沟通并制定适当的监管指南。
先进技术的整合
将类器官平台与其他新技术整合有望加速治疗开发。“芯片上的类器官”系统将类器官的生物复杂性与微流控设备的精密控制相结合，能够实现高通量药物筛选和对生理参数的更精确模拟。将脑类器官与机器学习和多组学平台相结合，可以分析复杂的实验数据，识别模式并预测治疗反应。
通过生物因子增强移植成功率
除了生物工程方法，生物因子也能增强类器官移植的成功率。例如，颗粒体蛋白前体（Progranulin）这种参与神经发育和神经炎症的生长因子，能显著增强移植的人iPSCs来源的皮质神经元的存活率。在移植前用此类因子预处理类器官，可能会改善其存活和整合。此外，将人神经干细胞分散在人工细胞外基质中并在体内形成脑类器官的方法表明，移植策略本身（包括使用支持性支架）可以影响类器官的整合和治疗效果。
未来展望与研究方向
类器官引导的疗法代表了治疗PBI的一种变革性方法。未来研究应侧重于整合免疫和血管成分、建立标准化方案和生物库，并利用“芯片上的类器官”平台和机器学习等先进技术。通过多学科持续的创新与合作，类器官引导的研究在改善PBI预后方面具有巨大潜力。
