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編者按
近年來，神經性系統疾病的發病率在全球范圍內呈顯著上升趨勢。2024年The Lancet Neurology （柳葉刀神經病學）雜志發布的最新研究顯示，神經系統類疾病已成為全球頭號病因，2021年全球神經系統疾病影響了34億人，占全球人口的 43.1%，其中1100萬人因神經系統疾病而死亡。特別是新生兒腦病、中風和偏頭痛等病種，對全球健康損失的影響尤為突出。
盡管腦類器官技術作為世界科技前沿技術，為多種腦疾病基礎研究及臨床應用提供了重要支撐，但傳統腦類器官模型存在明顯的局限性，如大多數只能模擬皮層等單一腦區，且使用的內皮系統多為HUVECs等簡單的細胞類型，無法模擬真實的神經-血管相互作用，阻礙了全面理解不同腦區之間的相互作用。
7月8日，約翰斯·霍普金斯大學（QS排名第24位）研究團隊在《Advanced Science》發表最新研究，構建了全球首個高度模擬胎兒大腦的多區域腦類器官（MRBOs） 模型，創新性地融合大腦皮層、中后腦等多腦區與復雜內皮系統，在細胞類型、轉錄組及功能層面驗證了其可靠性，并揭示了內皮細胞在中后腦發育中的區域特異性作用，為理解神經-血管相互作用提供了全新視角，具有重要的基礎研究與轉化應用價值。
本研究中，研究人員將三種獨立的類器官，即大腦皮層類器官、中后腦類器官和內皮類器官融合成一個統一結構，開發了多區域腦類器官（MRBOs） 新模型（產品上新丨環特hiPSC誘導分化腦類器官培養試劑盒），更好地模擬人胎兒大腦發育過程中的區域特異性與神經-血管相互作用。
01、研究亮點
開發了首個整合多腦區和復雜內皮系統的大腦類器官，將大腦皮層、中后腦類器官與多細胞類型的內皮類器官融合為一個整體結構（MRBOs），高度模擬了與人類胎兒大腦的發育相似性；
揭示了內皮細胞在中后腦發育中的區域特異性作用，發現內皮細胞通過VEGF、BMP、PDGF、IGF等信號通路支持中后腦中間祖細胞的維持與增殖，該效應在大腦皮層中不顯著，具有明顯的區域特異性；
通過多次誘導多能干細胞（iPSC）驗證顯示，GAD65、CTIP2等神經元標記物的表達重復性高達76–82%，系統穩定性良好，為研究神經發育障礙等提供了新平臺。
02、主要研究成果
1. 成功構建多區域腦器官MRBOs模型
本研究通過分步誘導三株健康對照的多能干細胞（iPSC）系，系統化生成大腦皮層類器官、中后腦類器官和內皮類器官，并在第20天通過Matrigel融合，形成結構完整、定位明確的多區域類器官。
隨后，通過對60天的多區域腦器官MRBOs，進行單核RNA測序分析結果顯示，UMAP可視化顯示出清晰的轉錄組簇，捕捉到MRBOs的完整細胞多樣性，并鑒定出多個神經元群體和內皮細胞類型，證實了神經和血管成分的成功整合?；虮倔w(GO)分析結果顯示，分化程度高的細胞，如神經元、少突膠質細胞等富集于神經發育、軸突發生等，而早期祖細胞、放射狀膠質細胞等則富集于細胞增殖及有絲分裂過程。
研究人員還發現，多區域腦類器官與人胎兒大腦（Carnegie stage 12–16）的細胞簇重疊度達80%，表現出極高的發育相似性，這表明MRBOs能夠高度模擬人胎兒大腦的發育。
圖1
2. 多區域腦類器官的細胞異質性
為了全面描述細胞異質性并驗證不同腦區的成功整合，研究人員對所有類器官類型(單個及組合)進行單細胞RNA測序分析顯示，MRBOs包含皮層神經元（CUX1）、中后腦神經元（HOXB3）、內皮細胞（VEGFA）等多種細胞類型，且各類器官及其組合均保留了獨特的細胞身份和區域特征。
圖2
3. 內皮細胞對中后腦發育的區域特異性支持
隨后，研究人員發現，只有在含有內皮組分的類器官中，才出現PHOX2B等表達中后腦標記物的中間祖細胞群。內皮細胞通過VEGF、BMP、PDGF、IGF等信號通路，支持中后腦中間祖細胞的維持與增殖，這表明，內皮細胞來源的旁分泌信號，對維持和增殖后腦發育中的中間祖細胞至關重要。
通過整合所有含大腦皮層成分的類器官及單獨內皮類器官的數據進行分析，并未觀察到內皮細胞對大腦皮層細胞成分產生顯著影響，這表明內皮細胞主要影響后腦發育，而非大腦皮層發育，其具有明顯的區域特異性。
圖3
4. 多區域腦類器官展現出更復雜的神經活動模式
隨后，研究人員對不同類器官類型(Day 35-65)進行微電極陣列 (MEA)電生理記錄，結果顯示，不同類器官類型隨時間推移展現出不同的電生理特征，不同的腦區在功能上實現了充分整合。
其中，多區域腦類器官在培養60天后，其峰頻率和爆發率顯著增加 (p < 0.05)，尖峰間隔縮短，網絡活動模式變化最顯著，表現出更復雜的神經活動模式，表明其神經網絡功能整合優于單一腦區類器官。
圖4
5. 多區域腦類器官細胞組織特征的二次驗證
研究人員利用免疫組織化學、Buk RNA-seq及定量分析等對多區域腦類器官的細胞組織開展了進一步驗證。熱圖顯示各類器官高表達其區域特異性標記物，定量分析顯示，MRBOs中存在多種細胞類型，CD31+、SV2A+、VAChT+、CD34+細胞數量顯著，表明融合結構包含并維持了多種細胞譜系。
通過免疫組織化學(IHC)與血腦屏障結構初步驗證，觀察到與早期BBB發育相關的細胞和分子特征，包括內皮細胞、周細胞、緊密連接、轉運體和星形膠質細胞的標記物。表達CD31、ZO-1等血腦屏障相關蛋白，表明MRBOS展現出初步的、與早期血腦屏障結構BBB形成相關的細胞組織特征。
圖5
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03、編者點評
本研究成功開發了整合大腦皮層、中后腦和復雜內皮系統的多區域腦類器官 (MRBOs)模型，高度模擬了人胎兒腦發育過程，揭示了內皮細胞在區域腦發育中的關鍵作用，特別是通過旁分泌信號支持后腦中間祖細胞，展現了超越單一區域模型的功能整合潛力，為研究神經發育障礙、測試神經血管相互作用相關療法提供了前所未有的平臺。
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參考文獻：
A. Kshirsagar, S. Kulkarni, et al. Multi-Region Brain Organoids Integrating Cerebral, Mid-Hindbrain, and Endothelial Systems. Adv. Sci. 2025. DOI: 10.1002/advs.202503768