《Advanced Healthcare Materials》：Mapping the Cerebral Organoid Landscape: A Systematic Review of Preclinical 3D Models in Neuroscience
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这篇系统综述对2014-2024年间发表的738项原始研究进行了全面梳理，整合了PubMed、Semantic Scholar和OpenAlex等多个数据库，首次系统地绘制了大脑（脑）类器官在神经发育、神经退行性疾病和神经肿瘤学三大领域的研究图景。文章揭示了当前领域以人诱导多能干细胞（hiPSC）来源的脑类器官和神经发育研究为主导，但在神经退行性变、脑转移瘤及非人系统中的应用仍较有限。为解决该领域方法学异质性大、缺乏统一选择框架的挑战，作者团队构建了名为OrganoidMap的开放获取、交互式网络平台，旨在帮助研究者根据疾病领域、细胞来源和方法学特征等关键参数探索、筛选和比较脑类器官模型，从而为模型选择、增强研究透明度和可重复性以及识别未充分探索的研究方向提供了可扩展的基础和新的基准。
描绘大脑类器官版图：临床前3D模型的系统综述
哺乳动物大脑是一个极其复杂的生物系统，具有精细的细胞结构、多样的细胞类型和区域特异性的发育程序。传统上，体内模型主要依赖啮齿动物，但这些模型往往难以复制灵长类动物和人类特有的生物学特征。加之人类脑组织获取受限和严格的伦理规范，使得开发物种相关、且实验上易于操作的模型系统变得尤为迫切。近年来，干细胞生物学的进步催生了三维（3D）脑类器官——这是一种能够自我组织的组织构建体，可在体外重现已知的脑发育关键特征，包括神经发生、区域模式化、细胞分化和初步的组织结构。其中，脑（大脑）类器官尤为引人注目，它们主要模拟与高级认知、神经精神疾病和神经退行性疾病相关的前脑和皮层区域。
脑类器官不仅是生物学模型，更是高度复杂、动态和多模态的生命系统，具有异质性结构、涌现行为和可调节的实验参数。这些特性使其成为连接神经科学、生物材料科学和转化医学的桥梁，为基础机制探索和临床相关应用开发提供了前所未有的机会。脑类器官可从多种哺乳动物物种和不同细胞来源制备，各具优势和局限性。在啮齿类动物中，类器官通常来源于从神经源性区域分离的神经干细胞或祖细胞。而在灵长类和人类中，受伦理和技术限制，多能干细胞（如胚胎干细胞ESCs或诱导多能干细胞iPSCs）的应用更为普遍。越来越多的研究使用患者来源的iPSCs生成个性化的脑类器官，即“患者化身”，以捕捉遗传个体性，实现疾病易感性、进展和治疗反应的精准建模。
在短短十余年间，脑类器官领域迅速发展，产生了多样化的模型、方法和应用，但同时也导致了研究版图的碎片化，存在显著的方法学异质性，且缺乏指导研究者进行模型选择、实验设计或识别未探索领域的统一框架。
研究概览与领域分布
本研究通过对2014年至2024年间发表的文献进行系统检索与分析，最终纳入了738项符合标准的原始研究。分析显示，脑类器官在神经发育领域的应用最为广泛，占所有纳入研究的73.6%（543/738），其次是神经退行性疾病（17.5%， 129/738）和神经肿瘤学（8.9%， 66/738）。在模型类型上，脑（大脑）类器官的使用最为频繁（64.9%， 479/738），其次是皮层类器官、共培养系统、中脑类器官、前脑类器官和组装体等。从2014年到2024年，该领域的年发表量显著增长，自2020年起呈现加速趋势，其中2023年发表了146项研究，反映了所有三个领域的持续增长。尽管神经退行性疾病和神经肿瘤学领域的应用稳步增加，但与神经发育领域相比，它们仍然相对占比偏低。
为了深入探索这些趋势并支持领域发展，作者开发了OrganoidMap——一个交互式、开放获取的网络平台。该平台使用户能够根据研究领域、疾病模型、细胞来源和方法学特征对738项精心策划的研究进行筛选、可视化和比较，包含了动态可视化和搜索功能，以协助模型选择、基准测试和实验规划。
脑类器官在神经发育研究中的应用
神经发育是一个受到精密调控的过程，涉及神经细胞类型的特化、扩增和成熟，最终形成区域化组织且功能整合的脑回路。传统模型在模拟高等哺乳动物神经发育的许多方面存在局限。因此，脑类器官已成为体外模拟大脑发育早期阶段的宝贵平台。
在本综述中，神经发育是类器官神经科学研究的主要焦点。值得注意的是，95.4%的神经发育研究使用了人源细胞背景，主要是人诱导多能干细胞（hiPSC）和人胚胎干细胞（hESC），强调了模拟人类特异性神经发育的明确倾向。这些研究可进一步分为“健康状态下的神经发育”研究（占神经发育研究的65%）和“疾病状态下的神经发育”研究（占35%）。
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健康状态下的神经发育：这部分研究利用非病理性细胞材料来研究典型的发育过程，共包含351项原始研究。可细分为以下几个主题：
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神经发育病理学建模：这是最大的类别（占29.9%），研究重点是从典型发育到早期病理状态的转变，涉及疾病建模、神经毒性、神经损伤、药物筛选、感染研究和神经炎症等方面。
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功能研究：占26.2%，用于剖析大脑发育、稳态和疾病易感性的细胞内在及网络水平过程，涵盖基因功能、蛋白功能、神经信号、早期大脑发育、进化研究等。
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模型优化：占19.7%，专注于提高可重复性、支持长期培养和实现高通量筛选，涉及改进协议、微流控平台、无基质胶系统、动态灌注和自动化生成等。
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神经发育研究：占12.3%，包括区域特异性类器官模型（如中脑、丘脑、下丘脑、小脑等）、多细胞整合（如组装体）、神经发生、比较神经发育和感觉系统研究。
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神经发育微环境：占6.0%，聚焦于免疫微环境（如整合小胶质细胞）、细胞迁移和髓鞘形成。
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疾病状态下的神经发育：这部分研究明确旨在模拟病理过程，共192项，涵盖了广泛的神经发育障碍，如自闭症谱系障碍、智力障碍、癫痫、雷特综合征、唐氏综合征、小头畸形、巨脑畸形等。研究策略主要采用患者来源的iPSCs或利用CRISPR-Cas9等基因编辑技术引入致病突变，在类器官中重现疾病相关的细胞和分子表型。
脑类器官在神经退行性疾病研究中的应用
尽管神经退行性疾病领域的研究占比相对较低，但脑类器官为其建模提供了独特的优势，特别是能够模拟人类细胞背景下与年龄相关的变化和漫长的疾病进程。该领域的研究主要聚焦于几种关键疾病：
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阿尔茨海默病：这是研究最多的神经退行性疾病，使用脑类器官模拟β-淀粉样蛋白（Aβ）斑块和tau蛋白神经原纤维缠结的积累、神经元死亡、胶质细胞激活和突触功能障碍等关键病理特征。研究涉及载脂蛋白E（APOE）基因型、早老素（PSEN）突变等遗传风险因素。
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帕金森病：利用中脑类器官模拟多巴胺能神经元的丧失，研究LRRK2、GBA、SNCA等基因突变的影响，以及线粒体功能障碍和α-突触核蛋白聚集等病理过程。
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肌萎缩侧索硬化症/额颞叶痴呆：使用皮层和运动皮层类器官研究TARDBP、C9orf72、FUS等基因突变导致的皮层运动神经元变性、星形胶质细胞病变和TDP-43蛋白病。
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亨廷顿病：利用纹状体类器官研究突变亨廷顿蛋白（mHTT）的毒性、转录失调和纹状体中型多棘神经元的脆弱性。
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朊病毒病：使用类器官模拟朊蛋白错误折叠和传播。
脑类器官在神经肿瘤学研究中的应用
脑类器官在神经肿瘤学中的应用正在兴起，主要用于模拟原发性脑肿瘤（如胶质母细胞瘤GBM）和脑转移瘤。
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胶质母细胞瘤：通过将患者来源的GBM细胞或通过基因工程改造的神经前体细胞与脑类器官共培养，构建GBM类器官或侵袭模型，用于研究肿瘤生长、侵袭模式、干细胞特性、肿瘤微环境相互作用及药物反应。
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脑转移瘤：将乳腺癌、肺癌等癌细胞与脑类器官共培养，模拟癌细胞向脑组织的侵袭、定植和生长，用于研究转移机制和测试治疗策略。
挑战、局限与未来方向
尽管脑类器官技术前景广阔，但仍面临诸多挑战和局限，包括：血管化缺失导致的内部坏死；细胞类型不全，缺乏功能性小胶质细胞、周细胞等；成熟度有限，难以模拟晚期发育或老化过程；批次间差异和可重复性问题；电生理功能简单，神经网络复杂性与体内相比不足；以及伦理考量，特别是关于类器官意识的可能性。
未来的发展方向包括：开发血管化类器官；创建多细胞整合系统（如组装体）；建立器官芯片平台实现灌注和机械刺激；结合生物打印和工程化支架提高结构可控性；利用人工智能和机器学习进行表型分析和数据整合；以及制定标准化方案和质量控制基准。
结论
这篇系统综述全面描绘了脑类器官在神经科学三大主要领域的研究现状与应用全景。尽管发展迅猛，该领域仍存在方法学异质性和模型选择标准不统一的问题。引入的OrganoidMap平台为整合多领域知识、促进模型比较和透明化提供了创新工具。通过系统性地梳理现有模型、突出其优势与局限，并指出未来发展的关键方向，本综述及配套平台为脑类器官研究的进一步发展奠定了坚实基础，有望推动其在基础神经科学、疾病建模、药物发现和个性化医疗中发挥更大作用，最终架起连接神经科学、生物材料和临床转化的动态桥梁。
