眾所周知，大腦是人類智慧的集結，是最復雜的器官。人腦擁有近1000億個神經元和100萬億個連接，由于其獨特的復雜性，在類器官模型構建中難度最大。自2021年“中國腦計劃”正式啟動以來，腦類器官技術作為世界科技前沿技術，為我國多種腦疾病基礎研究及臨床應用提供了重要支撐。

近日，環特生物腦類器官模型構建成功，基于胚胎干細胞（ESCs）或人誘導多能干細胞（hIPSCs）經人工培養分化而成的腦類器官，其功能組織結構與大腦相似，可部分重現人類大腦發育、疾病發生的進程，用于模擬人腦發育和帕金森、阿爾茨海默、腦卒中、抑郁癥等疾病發生，神經系統疾病機理研究及藥物篩選模型等，助力腦科學研究新時代！

01、腦類器官的研究方向

當前，隨著人源誘導多能干細胞（iPSCs）技術的發展，大腦類器官研究在神經科學領域炙手可熱。作為一種新興的研究工具，腦類器官在科學研究領域發揮著越來越重要的作用，用于探究大腦發育、神經發生機制研究、退行性病變、腫瘤等腦疾病研究等，為了解人類大腦、解析多種生物學、醫學問題帶來了希望，呈現出巨大的應用潛力。其研究方向主要包括以下幾個方面：

構建神經系統疾病模型

通過構建腦類器官模型，可以在類腦組織中觀察到與大腦發育類似的放射性膠質細胞、中間前體細胞、深層及表層神經元等，是模擬人腦生理特性的獨特而絕佳的工具。因此，構建腦類器官神經系統疾病模型，如自閉癥、精神分裂癥、阿爾茨海默病、漸凍癥等，通過模擬腦疾病病理過程，有助于研究疾病的發病機制，為藥物篩選和治療方法提供有力支持。

藥物篩選與個性化治療

腦類器官可作為藥物篩選平臺，基于高通量篩選系統及分類的表型指紋圖譜，構建具有未知靶標的化合物庫，測試潛在的藥物化合物，用于評估候選藥物對神經系統疾病的療效和副作用；也可通過結合基因編輯技術，構建具有特定基因突變的腦類器官，識別基因開關，以研究個性化治療方案。

研究大腦發育與神經發生機制

腦類器官可模擬大腦發育過程，通過將不同的外源類腦組織融合獲得復雜的神經結構，探索早期發育大腦，用于腦發育過程的表觀遺傳學研究及神經發生、神經元分化、突觸形成等過程研究，從而有助于深入了解大腦發育的分子機制和信號通路，研究胚胎期表觀遺傳學信號分子對神經發育的影響，為神經系統疾病的預防和治療提供理論支持。

神經再生與修復機制研究

腦類器官還可用于研究神經再生和修復機制，建立神經發生、神經存活、軸突生長和鈣穩態等神經機制表型缺陷，通過模擬神經損傷后的修復過程，有助于發現促進神經再生和修復的關鍵因子和信號通路，為神經系統損傷的治療提供新的思路和方法。

02、腦類器官如何培養？

目前，兩種來源的干細胞可用于獲得類器官：多能干細胞（PSCs）和組織干細胞（TSCs）。近日，環特生物成功構建腦類器官模型，通過人源誘導多能干細胞（iPSCs）來源在模擬大腦發育環境培養液中分化產生出類似人腦的三維組織，為研究人類大腦發育與功能、 疾病發生、 藥物發現等提供了新的研究模型。

環特生物依托于10多年的基因編輯及類器官、斑馬魚技術服務經驗，已上線腦類器官相關試劑，并致力于為客戶開展iPSCs來源腦類器官構建及鑒定、前腦類器官損傷模型構建等技術服務，讓腦科學研究事半功倍。那么，腦類器官如何培養？

iPSCs來源腦類器官構建方法

基于人源誘導多能干細胞（iPSCs），將iPSCs通過3D培養形成擬胚體后，對EB進行誘導分化，使其形成具有自我更新能力的神經祖細胞，然后進一步延長3D培養階段，使其形成更復雜的分層結構，類似于正在發育中的大腦皮層。

具體來說，神經祖細胞可以自組織形成連續的神經上皮細胞組織，隨著這些腦區化結構的發展，神經祖細胞產生的神經元會從生發區遷移到基底的區域。這種細胞分層和神經細胞遷移與發育中的人類大腦非常相似。因此，iPSCs誘導形成的腦類器官是3D細胞聚集體，它可以自我組織以重建一些內源性組織，表現出與人類大腦類似的生理特征。

通過iPSCs來源腦類器官構建，可交付構建完成的類器官（經固定的類器官）、類器官明場顯微鏡鑒定、類器官marker鑒定等。示意圖如下：

圖1. 腦類器官培養不同階段明場典型圖

圖2. 神經干細胞、前腦標志物及神經元marker典型圖

前腦類器官損傷模型構建方法

基于人源誘導多能干細胞（iPSCs）來源的正常前腦類器官品系，構建酒精誘導的腦類器官損傷模型以及FBS誘導的類腦神經損傷模型。

正常大腦由于血腦屏障（BBB）的存在，腦組織不能直接接觸血液中的相關物質。而在某些損傷條件下，腦組織的血腦屏障通透性改變，導致血液中的物質泄露進入腦組織，從而引起腦組織的炎癥反應，造成腦損傷。因此，可以采用FBS對腦類器官進行體外暴露，模擬這一損傷過程，尋找相關的治療手段。

SOX2是表征神經干性的蛋白，在腦發育的過程中，SOX2應成花環簇狀結構分布，而損傷條件下，腦器官的發育會受到干擾從而影響神經干性，因此可以通過SOX2的表達情況來反應腦類器官的損傷情況。

細胞凋亡中, 染色體DNA雙鏈斷裂或單鏈斷裂而產生大量的粘性3'-OH末端，可在脫氧核糖核苷酸末端轉移酶（TdT）的作用下，將脫氧核糖核苷酸和熒光素、過氧化物酶、堿性磷酸酶或生物素形成的衍生物標記到DNA的3'-末端，從而可進行凋亡細胞的檢測，這類方法稱為脫氧核糖核苷酸末端轉移酶介導的缺口末端標記法（terminal -deoxynucleotidyl transferase mediated nick end labeling, TUNEL）。由于正常的或正在增殖的細胞幾乎沒有DNA的斷裂，因而沒有3'-OH形成，很少能夠被染色。因此，可以TUNEL染色反應細胞凋亡情況。

通過前腦類器官損傷模型構建，對腦類器官SOX2熒光染色、腦類器官TUNEL染色進行評價，評估前腦類器官損傷情況及進行發生機制探究與治療。示意圖如下：

圖1. 用酒精及FBS處理后的腦類器官SOX2熒光染色典型圖

圖2. 用酒精及FBS處理后的腦類器官TUNEL染色典型圖

03、腦類器官前沿應用案例

大腦是復雜又精密的細胞網絡集合體。當前，隨著腦類器官模型的不斷精進，在自閉癥、漸凍癥等復雜腦部疾病建模及研究、神經再生與修復研究、大腦發育與神經發生機制研究等方面不斷涌現出許多創新性突破研究，為腦科學及神經科學的發展提供了新的契機，有望為神經系統疾病的治療和藥物研發帶來革命性的突破。腦類器官國際前沿應用進展如下——

疾病建模與研究上的應用

在疾病建模方面，腦類器官被廣泛應用于模擬神經系統疾病，如自閉癥、漸凍癥、Rett綜合癥、帕金森病和阿爾茨海默病等。通過構建疾病相關的腦類器官模型，研究人員可以更深入地了解疾病的發病機制，為藥物研發和新藥篩選提供有力工具。

自閉癥：2023年10月，奧地利和瑞士科學家在《Nature》（影響因子IF=64.8）發表最新研究論文，開創性地將人腦類器官、單細胞基因測序和基因編輯技術融為一體，從而實現了高通量、高精度、高穩健地在人類大腦類器官的單細胞水平上全面測試形成自閉癥發育缺陷的基因突變及細胞類型，為研究最復雜的腦類疾病帶來新希望。

漸凍癥：運動神經元的損傷會導致肌肉無法正常收縮，影響人體的運動能力，“漸凍癥”就是其中的代表之一。斯坦福大學研究團隊首次成功生成了負責自主運動的人類神經回路的三維模型。他們利用iPSC技術產生三種類器官——大腦皮層、脊髓和骨骼肌，并將它們在培養皿里自行“組裝”起來，開辟出漸凍癥治療新視角。

圖為PSC衍生人腦皮質-運動類器官組裝體

Rett綜合癥：Rett綜合癥是一種嚴重影響兒童精神運動發育的疾病，其病因是在X染色體上的MeCP2基因發生突變。由于缺乏有效的治療方法，且傳統的2D和3D培養細胞無法體現疾病表征，研究人員利用腦類器官模型進行研究。通過分別培養不同區域大腦的腦類器官，并將這些類器官組合起來，用高分辨率MEA進行檢測，有助于更深入地理解Rett綜合癥的發病機制，并為未來的治療提供線索。

寨卡病毒：研究人員利用腦類器官揭示了寨卡病毒導致先天性顱缺損（小頭癥）的致病機制，發現人神經祖細胞是寨卡病毒的直接作用靶點，并利用腦類器官模型進行了藥物篩選，發現了一種具有治療潛力的小分子抑制劑。這為寨卡病毒的治療提供了新的候選藥物。

在藥物篩選與個性化治療上的應用

自腦類器官技術誕生以來，由患者來源的誘導多能干細胞（iPSC）分化的人腦類器官作為研究人類特有腦疾病機制的優良模型，在藥物篩選、臨床前測試、個性化治療等方面具有廣闊的前景。

2021年的一項研究探究了唐氏綜合征患者來源的人腦類器官存在皮層發育缺陷，而通過干預DSCAM基因表達及抑制下游分子PAK1可挽救該發育缺陷。通過這種方式，體外誘導的人腦類器官不僅可以用于探究疾病，更可以成為疾病治療方案篩選的良好工具，為研究神經系統疾的研究者們提供了人源化的模型。

最近，斯坦福大學的神經科學家帕斯卡領導其團隊在國際頂級期刊Nature上發表了一篇關于大腦類器官的最新研究性文章。在這項研究中，研究人員將人的多能干細胞誘導分化為大腦皮質類器官后原位移植于新生無胸腺大鼠的體感皮層中，構建了人鼠混合大腦類器官——t-hCO。這種類器官不僅可以在大鼠體內正常生長，展現出正常的大腦生理結構，還可以參與大腦控制行為的神經環路。這一研究為大腦神經退行性疾病研究和新藥開發提供了新的策略。

此外，已有研究表明，腦類器官對已建立的抗棱蛋白化合物有反應，表面其作為藥物篩選模型具有巨大的潛力。

在研究大腦發育上的應用

2024 年 1 月 8 日，荷蘭瑪西瑪公主兒童腫瘤中心（Princess Máxima Centre for Pediatric Oncology）等單位的研究人員開辟了一種全新的方法，他們直接從人類胎兒的腦組織中開發出了大腦類器官，為研究與大腦發育相關的疾?。òX腫瘤）的發展和治療提供了一種有價值的手段。該研究以 Human fetal brain self-organizes into long-term expanding organoids 為題發表在 Cell 雜志。

該研究中，研究人員發現健康的人類胎兒腦組織在體外自行組織成類器官（Fetal brain in vitro self-organizes into organoids, FeBOs），表現出與體內細胞相似的異質性和復雜的組織。FeBOs 的生長需要維持組織的完整性，這保證了組織狀細胞外基質（ECM）生態位的產生，最終賦予 FeBOs 擴張的能力。利用 CRISPR-Cas9基因編輯技術，研究人員還展示了用于腦癌研究的同基因突變 FeBOs 細胞系的生成。

來源：Human fetal brain self-organizes into long-term expanding organoids

在神經再生與修復研究上的應用

腦類器官在神經再生與修復研究中也發揮著重要作用。研究人員利用腦類器官模型研究神經干細胞的分化、遷移和突觸形成等過程，為神經再生醫學提供新的思路和方法。

2023年11月，新加坡國立大學 Florent Ginhoux 團隊在《Nature》（影響因子IF=64.8）發表最新研究成果，通過腦類器官揭示小膠質細胞在人腦發育中的作用。該研究通過將多能干細胞來源的巨噬細胞與大腦類器官共培養模擬胚胎小膠質細胞的特征，胚胎小膠質細胞可以合成膽固醇并儲存在脂滴中，被神經元前體細胞所攝取，影響神經元前體細胞成熟和分化。腦類器官為未來神經科學研究和神經系統疾病的治療提供了強有力的模型。

來源：iPS-cell-derived microglia promote brain organoid maturation via cholesterol transfer

近年來，隨著類器官技術的不斷發展，為疾病治療、新藥研發及機制研究等提供了新的可能性。環特生物依托于斑馬魚+哺乳動物+類器官+基因編輯4大技術平臺，基于過去10余年持續的技術創新實踐，以專業、前沿的技術服務解決方案，助力科研人員在類器官技術應用與科學研究上取得更多突破，共同探索更多未知，開創腦科學研究新時代！

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