脑类器官技术进展与应用综述：神经发育与疾病研究的新范式
作者及发表信息
本文由Yang Li、Peng-Ming Zeng、Jian Wu（均来自上海科技大学生命科学与技术学院）及通讯作者Zhen-Ge Luo（上海科技大学）共同完成，发表于2023年11月的《Neuroscience Bulletin》（第39卷第11期，1703–1716页）。文章题为《Advances and Applications of Brain Organoids》，系统回顾了脑类器官（brain organoid）技术的发展及其在脑发育与疾病研究中的应用。
主题与背景
脑类器官是由人多能干细胞（human pluripotent stem cells, hPSCs）衍生的三维自组织培养体系，能够模拟人脑发育的细胞多样性、空间结构和功能特性。传统模型（如小鼠和非人灵长类）因与人脑存在显著差异（如体积、皮层复杂度等），难以准确模拟人类神经疾病。脑类器官技术的出现填补了这一空白，为研究神经发育障碍（如自闭症、小头畸形）、神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病）、精神疾病（如抑郁症、精神分裂症）及脑肿瘤提供了新工具。
核心观点与论据
1. 脑类器官技术的发展与优化
- 非引导法与引导法：非引导法（unguided method）通过将胚胎体（embryoid bodies）嵌入基质胶（Matrigel）中，依赖内源性信号自发形成全脑类器官（含多个脑区）；引导法（guided method）则通过添加模式化因子（如BMP抑制剂、Shh拮抗剂）定向诱导特定脑区类器官（如背侧前脑、中脑类器官）。
- 血管化与免疫细胞整合：通过共培养内皮细胞或移植类器官至动物体内，可构建血管化类器官，延长培养时间并增强神经元成熟度。例如，Sun等（2022）开发的血管化脑类器官包含血脑屏障（BBB）样结构和功能性小胶质细胞。
- 组装类器官（assemblies）：融合不同脑区类器官（如丘脑-皮层组装）可模拟脑区间相互作用，如GABA能神经元迁移和神经环路形成。
支持证据：Lancaster等（2013）首次报道非引导法生成全脑类器官；Birey等（2017）通过融合背侧/腹侧前脑类器官，再现了抑制性神经元迁移。
2. 脑类器官在神经发育障碍研究中的应用
- 自闭症谱系障碍（ASD）：ASD患者来源的类器官显示FOXG1转录因子异常导致GABA能神经元分化失衡，且CDH8基因突变通过非编码RNA DLX6-AS1影响神经元发育。
- 小头畸形：Zika病毒感染或CPAP基因突变的类器官表现为神经前体细胞增殖减少和过早分化，与患者脑体积缩小表型一致。
- Rett综合征：MECP2突变类器官中miR-199/214表达上调导致神经发生缺陷，通过下调这些miRNA可部分修复表型。
支持证据：Kang等（2021）发现FMR1缺失的ASD类器官中PI3K通路抑制剂可挽救突触形成异常；Barnat等（2020）利用亨廷顿病类器官揭示发育期神经元极性缺陷。
3. 神经退行性疾病模型构建
- 阿尔茨海默病（AD）：APOE4基因型类器官表现出更严重的突触丢失和神经退行，与胆固醇代谢紊乱相关；AD患者血清暴露可诱导β-淀粉样蛋白（Aβ）和磷酸化tau蛋白积累。
- 帕金森病（PD）：LRRK2-G2019S突变的中脑类器官显示多巴胺能神经元减少和线粒体功能障碍，LRRK2抑制剂可缓解表型。
- 肌萎缩侧索硬化症（ALS）：C9ORF72基因突变的皮层类器官中，星形胶质细胞和神经元存在转录组和DNA修复异常。
支持证据：Zhao等（2020）证明APOE4类器官中胆固醇代谢紊乱导致髓鞘形成受损；Szebényi等（2021）通过ALS类器官切片发现早期星形胶质细胞病理。
4. 精神疾病与脑肿瘤研究
- 精神分裂症：患者类器官中线粒体功能相关基因表达下调，神经元电活动减弱，BRN2和PTN基因的调控异常可能参与发病。
- 脑肿瘤模型：通过CRISPR-Cas9编辑TP53等基因或移植患者来源的胶质瘤干细胞（GSCs），可构建胶质母细胞瘤（GBM）类器官，模拟肿瘤侵袭和药物反应。
支持证据：Kathuria等（2020）通过单细胞测序发现精神分裂症类器官的神经前体细胞存活率下降；Bian等（2018）利用基因编辑构建的GBM类器官再现了肿瘤干细胞标志物表达。
技术局限与未来方向
当前脑类器官仍存在内部细胞坏死、神经元成熟度不足、缺乏完整血管和免疫系统等问题。未来需结合多学科技术（如单细胞测序、器官芯片）优化培养体系，并探索其在药物筛选和神经修复中的应用潜力。
意义与价值
本文系统梳理了脑类器官技术的进展，展示了其在模拟人类特异性脑发育和疾病机制中的不可替代性。通过整合患者特异性iPSCs和基因编辑技术，脑类器官为精准医学提供了新平台，尤其在罕见病机制解析和个性化治疗策略开发中具有重要价值。例如，血管化类器官和组装类器官的突破，为研究神经-血管交互和跨脑区环路 dysfunction 提供了全新视角。