目前研究大腦發育和疾病使用最廣泛的小鼠模型與人腦之間存在著大小、結構、細胞間相互作用等諸多方面的差異。而人腦類器官源自人體自組織，可以忠實地模擬人腦的結構與功能。自2013年Madeline A Lancaster等首次開發至今[1]，其已成為可系統性概述大腦皮層不同區域，包括海馬體、中腦、丘腦、下丘腦、小腦等的發育特征的重點模型。

在相關研究如火如荼的當下，2024年12月12日，美國南加州大學洛杉磯分校和英國劍橋大學的研究團隊聯合在Nature子刊Nature reviews. Molecular cell biology發表了題為“Modelling human brain development and disease with organoids”的重磅綜述，對腦類器官的研究現狀和應用場景進行了系統性闡釋。作者首先回顧了多種優化人腦類器官生理相關性的方式，同時匯總了腦類器官應用場景及研究進展。最后，作者還對腦類器官面臨的社會倫理問題進行了提醒，并點明了眼下研究的困局，指明了未來的重點發展方向。

胎兒腦干細胞、皮質組織干細胞和組織干細胞（hPSCs）來源的腦類器官培養方法均已建立。從各種方式獲得的干細胞在體外首先形成3D的擬胚體（EB），而后進行2-5天的神經誘導，從外胚層形成神經板，神經板閉合形成神經管。接下來，神經管內壁的神經上皮干細胞向不同的神經細胞命運分化。與此同時，神經管發育為前腦、中腦以及后腦三個初級腦泡。前腦進一步發育為端腦和間腦，其中端腦發育為大腦皮層，而間腦發育為丘腦、下丘腦、視網膜等其他區域。

已有大量研究鑒別了大腦發育過程中多個關鍵信號通路。相應地，需要在腦類器官培養的不同階段合理地添加或抑制相關生長因子進行調控。堿性成纖維細胞生長因子（bFGF）在最初干細胞分化為擬胚體的過程中添加，以刺激神經發生和膠質細胞生成。此外，在類器官生成的早期階段抑制WNT信號有助于抑制中胚層譜系，并加強向強皮質身份的分化。

由于缺乏真正的信號生發中心，現如今的腦類器官培養中，不同細胞的分化命運依賴于形態發生素的濃度梯度。SHH作為一種形態發生素，其信號強度可決定神經管腹側細胞的分化命運。高濃度的SHH誘導腹部神經元的形成，而低濃度的SHH則誘導運動神經元等的形成。骨形態發生蛋白（BMP）也是形態發生素的一種，其參與調控神經誘導到分化的整個階段，可促進背部神經細胞的命運，調節神經嵴的形成，并影響膠質細胞的生成和神經元亞型的特化。腦源性生長因子（BDNF）、神經營養因子-3（NT-3）、膠質細胞源性神經營養因子（GDNF）等也參與神經元的分化和成熟，尤其是多巴胺能和GABA能突出的正常生長。

圖1：模擬腦發育，建立腦類器官

（來源：參考資料[2]）

本綜述中，作者著重提出，為了創建復雜神經發育過程的精確模型，還需要對細胞多樣性、結構復雜性和成熟過程進行多重優化，以提高人腦類器官的生理相關性。

圖2：腦類器官的優化路線

（來源：參考資料[2]）

除神經元外，膠質細胞如星形膠質細胞和少突膠質細胞等在大腦發育中起到結構支持、營養等重要作用。澳大利亞和韓國科學家們已經通過添加肝細胞生長因子（HGF）、胰島素生長因子（IGF）等，成功將培養出成熟少突膠質細胞的時間從原本的100天以上縮減到約40天（圖3）[3]。

圖3：短期誘導成熟少突膠質細胞生成的方法

（來源：參考資料[3]）

此外，非外胚層細胞，如來自于中胚層的小膠質細胞也對捕獲腦發育和病理學復雜性至關重要，而神經血管網絡也是準確模擬大腦后期發育所不可或缺的。研究表明，用血管內皮生長因子（VEFG）和生長因子WNT7B共處理腦類器官，并將內皮細胞與腦類器官共培養可誘導血管化。事實上，已有研究團隊通過將大腦類器官與血管類器官融合，首次構建出具有人類血腦屏障全功能的腦類器官，為神經系統疾病機理研究及藥物提供了更為可靠的平臺（圖4）[4]。

圖4：生成具有人類血腦屏障全功能腦類器官的路徑

（來源：參考資料[4]）

另外，共培養向不同腦命運分化的單個類器官，也可模擬神經系統和不同區域神經元之間功能鏈接的形成。定義涵蓋有皮質、內側神經節隆起（MGE）、丘腦、后腦/脊髓等多個區域特異性類器官的融合體為類組裝體（assembloids）。此舉可增強多樣性以研究細胞遷移、整合和突觸形成。

為了獲得更接近生理大腦的結構，首先需要工程化的水凝膠、微纖維支架等多種結構支撐技術。

另外，如前文所述，形態發生素濃度梯度對于神經元祖細胞位置和身份的發也至關重要。為此，可以使用合成生物學方法，工程化誘導形態發生素SHH的釋放，激活背腹和前后位置軸上有序的自組織以形成模式化的前腦亞區。區別于前文所述“單個類器官共培養”方案，這相當于從另一條“一鏡到底”的通路，由形態發生素濃度梯度直接誘導了不同的腦區分化，并最終形成整合了不同區域特異性的“類組裝體”。其后FGF-8的添加可進一步協助產生軸向模式化的皮層類器官以探索更復雜的表型。

另一方面，微流控裝置也可輔助精準控制形態發生素的遞送。已經通過微流控驗證發現，視磺酸和SMO激動劑的正交梯度可模擬形態發生素對運動神經元分化的組合作用。使用微流控，還可在hPSC分化期間產生WNT梯度以模擬神經管的發育（圖5）[5]，該方法也被稱為“微流控控制的干細胞區域化”（MiSTR）?？傊⒘骺鼐哂型獠空{控形態發生素的時空梯度以控制PSC自組織模塊化的能力。

圖5：MiSTR細胞培養系統的設計和hESC衍生組織中WNT信號傳導梯度的建立

（來源：參考資料[5]）

其后，作者回顧了促進類器官成熟和功能性的手段，再次肯定了微流控系統對于控制不同腦區之間遠程信息溝通、模擬體內腦回路方面的重要意義。此外，切片培養和氣-液界面培養也可改善腦類器官的氧供應并減少細胞死亡（圖6）[6]。

小分子混合物如GENtoniK等可促進腦類器官成熟，也可考慮引入模型的構建。異種移植也是增強hPSC衍生的神經元的結構和功能特征的重要策略。對移植類器官的分析已經揭示了進行性神經元分化和成熟、膠質生成、宿主小膠質細胞的整合、脈管系統的侵襲以及與宿主大腦形成功能連接的軸突的建立。

圖6：新皮質類器官切片克服內部缺氧難題并減少細胞死亡

（來源：參考資料[6]）

腦類器官的主要應用在于模擬多種腦部疾病以提供機理探索、毒性測試和藥物篩選的體外平臺。在此，作者首先概括了多種使用腦類器官模型獲得重大突破的病癥實例。

譬如，無腦回畸形綜合征（MDS）屬于嚴重的皮質畸形。來自MDS患者的腦類器官研究提示，N-鈣粘蛋白-β-catenin/WNT信號通路的破壞可能是主要病因之一。而在神經發育障礙中，患者來源的皮質類器官已用于輔助具有強烈臨床異質性的特發性孤獨癥譜系障礙（ASD）的病因探索，并挖掘出了包括FOXG1在內多個差異性表達的發病關鍵基因。在神經精神疾病方面，也有報道利用來自雙相情感障礙患者的腦類器官揭示了疾病相關的各種分子、細胞和功能表型特征。在傳染病領域，腦類器官也已用于SARS-CoV-2、HIV等病毒感染模式的研究，并為確定放射狀膠質祖細胞的耗竭為寨卡病毒感染引起的獲得性小頭畸形主要病因做出了貢獻。

圖7：腦類器官用以疾病探索

（來源：參考資料[2]）

除疾病診療外，腦類器官還可參與進化多樣性的探討。通過對比非人靈長類和人腦類器官，已經進行了從大腦層面到信號通路與基因層面不同尺度上的差異化研究，并協助人類大腦發育獨特特征的解析。

圖8：腦類器官探究大腦進化

（來源：參考資料[2]）

盡管目前腦類器官的開發已經取得了巨大成功，然而作者提醒，在道德倫理層面還需保持更為審慎的態度。

首先，干細胞的獲取必須獲得捐贈者的書面同意。中國科學院動物研究所彭耀進等的論文也提到，需要確保捐贈者完整明確地知曉生物樣本地使用方式與方法，且理解正確全面，并擁有全部的自主決定權[7]。

針對腦類器官，尤其需要嚴謹定義腦類器官中的意識狀態。僅就目前而言，腦類器官尚未企及人腦復雜程度，并不具備真正的意志認知，因此在科學傳播的過程中應當格外注意遣詞造句，避免以“小型化的人類大腦”等詞誤導業界和公眾。且隨著腦類器官的研究發展，需要從倫理和法律的角度全面地審視其未來可能呈現的人類特征。

此外，腦類器官的來源樣本庫當下嚴重缺乏多樣性。作者提到，hPSC庫主要由具有歐洲血統的供體組成。且由于長時間培養下X染色體容易失活的影響，干細胞的選取也偏向于男性來源的樣本。作者強調，確保腦類器官來源的人種、地域、語言、文化、性別等多樣性，對人類健康的全面理解和探索疾病的異質性至關重要。未來仍需加強在此方面的努力，確保通過腦類器官模型獲取的療法可公平平等地惠及所有人群。

本文提供了腦類器官從技術到應用全生態全景路線圖，為渴望了解深入腦類器官領域的研究者提供了重要指南。

展望未來，作者強調，對于腦類器官技術上的改進，或集中在通過應用各種生物工程方法促進神經元的成熟，強化腦區之間的鏈接、以及功能性腦回路的形成上。此外，作者還樂觀估計，未來幾年，關于腦類器官與其他身體區域的類器官之間復雜相互作用的研究或將備受矚目，以期解碼器官在健康和疾病狀態下的相互影響。

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