脑类器官
模拟大脑发育与疾病研究的三维模型
摘要/Abstract
脑类器官是由多能干细胞在三维培养条件下, 通过添加神经发育相关调控信号而分化产生的与脑的细胞组成、解剖结构相似, 并可以体现出类脑的发育进程及生理、病理和药理等特征的细胞培养物, 是迄今在体外研究人脑发育与相关疾病, 并开展药物筛选的良好模型。伴随着技术发展, 脑类器官在研究脑发育与疾病, 不同脑区以及脑与其他组织/器官间的相互作用, 脑进化等多个方面发挥重要作用。该文综述了脑类器官的发展历程, 及其在探索脑发育、疾病模拟和药物筛选等方面的进展。
关键词:脑类器官;脑发育;脑疾病模型构建;药物筛选;三维培养
By following developmental principles, brain organoids can be generated from pluripotent stem cells under three-dimensional culture conditions with sequential modulations of neural development-related regulatory signals. Brain organoids resemble, at least in part, brain tissue, in regarding to their cell composition and anatomical structure that recapitulate regions of the cortex observed in brains, and thus are considered as an ideal in vitro model to decipher the development mechanism, as well as roots of neurological disorders of brain. In addition, by using the organoids resembling individual brain domains, brain organoids can be used to explore the interactive cross-talk of brain with different regional information, or with other tissues/organs. Furthermore, through multiomics analysis across species in a comparative way, evolution of brain is investigated with brain organoids. This article reviews recent progresses of brain organoids, particularly on brain development, disease modeling, and drug screening.
Keywords:brain organoids; brain development; brain disease modeling; drug screening; three-dimensional culture
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01
类器官技术开启脑研究新纪元
人类大脑是自然界中最复杂的系统之一,其发育过程精密而漫长,涉及数千种细胞类型的产生、迁移、分化与环路组装。传统上,神经科学研究严重依赖动物模型和二维细胞培养。然而动物大脑在解剖结构、细胞组成和基因调控网络方面与人类存在显著差异,限制了其模拟人类特有脑疾病和发育过程的能力。二维细胞培养虽简单易控,但缺乏组织应有的三维结构和细胞间复杂的相互作用,无法再现大脑的微环境与功能。
2013年,Lancaster等[1]将多能干细胞(pluripotent stem cells, PSCs)在悬浮条件下成功培养产生了具有类似大脑结构特征的三维培养物, 并将其命名为脑类器官(cerebral organoids)。脑类器官与脑的细胞组成、解剖结构相似, 并能模拟脑的发育进程, 体现脑的生理、病理和药理等特征[2]。在过去几年中, 脑类器官技术已经实现了从非定向的全脑类器官逐步向皮质、海马、中脑、小脑、脊髓等具有区域特征的脑类器官的过渡, 并实现了脑类器官的血管化, 进而将代表不同脑区的脑类器官或脑与其他组织类器官进行融合, 更好地模拟不同脑区的解剖结构、生理特征、脑区间的相互作用, 以及脑与其他组织器官的调控关系[3]。脑类器官技 术的产生既弥补了传统二维细胞培养无法模拟脑组织复杂结构和体内微环境、难以重现神经系统疾病复杂表型的缺陷, 又突破了动物模型缺乏人类特有的遗传特性、大脑区域和功能, 无法真实全面地模拟人脑的发育和疾病发生发展的局限, 是迄今在体外研究人脑发育、进化, 探究不同脑区、脑与其他器官的相互作用, 并在体外开展疾病模拟和药物筛选的重要工具。
Fig.1 The flow chart illustrating the generation of brain organoids
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02
从全脑模拟到区域精控
1. 非定向全脑类器官
脑类器官技术源于拟胚体与三维神经分化研究。2008年,SASAI团队[4]利用无血清拟胚体技术首次诱导出皮质样组织,后成功培育视杯结构,奠定脑区分化基础。2013年,Lancaster团队将拟胚体包埋于Matrigel中,在旋转反应器内长期培养,形成具有皮质、海马等多类脑细胞的复杂三维结构。该模型再现了人类特有的外层放射状胶质细胞及其迁移行为,并成功模拟小头畸形症病理机制。为提升特异性,研究者开发“定向分化”策略,通过调控WNT/TGF-β等通路培育出皮质类器官,进一步可形成六层皮质结构与神经网络。针对类器官内部坏死问题,“切片培养法”应运而生,通过切薄类器官改善营养供给,支持长期生长与皮质褶皱模拟。
2. 具有区域特征的脑类器官
为了深入探究特定脑区的功能、发育及相关疾病,研究人员通过模拟胚胎发育中的形态发生素梯度,精确调控信号通路,成功诱导出各种区域特异性脑类器官。
前脑区域类器官:视杯类器官:抑制WNT并激活SHH通路,可形成含感光细胞等多层视网膜结构的视杯,用于视网膜疾病研究与药物筛选[5]。海马类器官:在皮质类器官基础上激活WNT/BMP信号,生成齿状回与CA区神经元,形成功能突触,助力学习记忆机制及阿尔茨海默病等研究[6]。丘脑与下丘脑类器官:通过SHH、WNT等信号组合,诱导产生谷氨酸能或肽能神经元,为研究自闭症、睡眠障碍等提供模型[7]。
中脑区域类器官:通过SHH[8]与FGF8诱导,获得富含多巴胺能神经元的中脑类器官,并可生成人类特有的神经黑色素,为帕金森病病理模拟提供独特平台。
后脑区域类器官:小脑类器官:利用FGF2、FGF19等因子时序调控,重建小脑背腹模式与细胞分层,获得具电生理活性的浦肯野细胞。脊髓类器官:结合BMP4与SHH信号,在单一类器官中诱导产生感觉、中间及运动神经元等多种脊髓细胞亚型,模拟脊髓发育多样性。
3. 融合类器官构建复杂系统
为模拟脑区及跨组织互作,通过将两个或多个分别生成的区域特异性类器官在物理上接触并共培养,使其自发融合并建立功能性连接,融合类器官技术应运而生。
脑区间融合:将生成兴奋性(背侧)和抑制性神经元(腹侧)的类器官融合,可重现GABA能神经元向皮质的迁移与网络整合[9]。融合丘脑与皮质类器官能建立双向投射通路,模拟感觉信息传递,已用于研究Timothy综合征等疾病的突触连接异常。
脑-外周组织融合:通过三级融合皮质、脊髓与骨骼肌类器官,构建“皮质-脊髓-肌肉”组装体[10]。该模型能实现从皮质信号发出到肌肉收缩的完整运动传导,并可受光遗传或药物调控,为研究运动神经疾病及神经肌肉病变提供了全新体外平台。
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03
脑类器官的多元化应用
1. 探索人类大脑的发育和谱系演化规律
脑类器官为直接观察和研究人类特异性的脑发育过程打开了窗口。单细胞转录组测序分析表明,培养约100天的脑类器官,其基因表达谱与妊娠中期(17-24周)的人胎儿脑组织高度相似[11]。更重要的是,它重现了如外层脑室下区的扩张、放射状胶质细胞的特定行为等在啮齿类中不显著或不存在的关键发育事件。
在进化研究方面,科学家通过比较人、黑猩猩、大猩猩等不同灵长类干细胞来源的脑类器官,发现了人类大脑发育速度更慢、神经前体细胞增殖期延长等特点。通过基因编辑技术将已灭绝古人类(如尼安德特人)特有的基因变异(如NOVA1)引入人脑类器官,可以直接观察这些古老基因对神经发育、突触形成的影响,从而在分子和细胞水平上解读人类大脑何以变得如此独特。
2. 神经系统疾病建模
利用患者iPSCs培育脑类器官或通过基因编辑引入特定突变,可构建遗传背景真实的疾病模型,这在研究病因复杂、物种差异大的脑疾病中价值非凡。
神经发育障碍:小头畸形症模型显示神经前体细胞过早分化,类器官体积减小;无脑回畸形模型则出现神经上皮凋亡增加、放射状胶质分裂延迟及神经元迁移缺陷。精神疾病如与精神分裂症相关的DISC1突变,可导致神经前体增殖受损及WNT通路异常。神经退行性疾病:阿尔茨海默病类器官能自发形成β淀粉样蛋白聚集和过度磷酸化tau蛋白,携带APOE4基因者病理更严重,基因编辑纠正后可缓解表型。帕金森病模型则利用中脑类器官模拟多巴胺能神经元丢失,用于药物测试。感染与脑疾病:研究证实SARS-CoV-2可感染脑类器官中的脉络丛细胞,破坏血脑脊液屏障,解释COVID-19患者神经系统症状的机制[12]。
3. 革新药物研发与基因治疗策略
高通量药物筛选:脑类器官可以在96孔板或微流体芯片中规模化培养,实现自动化成像和分析,非常适合用于高通量药物筛选。例如,已利用脑类器官筛选了数千种化合物,以寻找能够减轻AD病理或抵抗Zika病毒感染的候选药物。在肿瘤领域,患者来源的胶质母细胞瘤类器官可用于测试不同化疗药物和放疗方案的敏感性,指导个性化治疗。
毒性测试与机制研究:脑类器官被用于评估环境毒素(如酒精、尼古丁)对胎儿脑发育的影响,揭示了它们引起神经前体细胞损伤和异常分化的机制。
基因治疗的试验田:CRISPR-Cas9等基因编辑技术与脑类器官结合,可以快速验证疾病相关基因的功能,并探索基因校正疗法的可行性。例如,在类器官中成功纠正了导致遗传性失明的基因突变,或通过编辑APOE4基因来逆转AD相关病理。
Fig.2 Applications of the brain organoids
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04
脑类器官技术的挑战与展望
复杂神经网络;存在批次差异,影响可重复性;难以模拟成熟或衰老脑状态,长期培养受限;伴随复杂性提升,伦理讨论日益凸显。
未来发展方向包括:通过生物3D打印、微流控芯片实现工程化与可控微环境构建;融合多组学技术与动态监测,深入解析发育与病理过程;开展类器官-动物模型整合研究,探索其在神经修复中的应用;推动标准化流程与生物样本库建设,支撑大规模科研与药物研发。
脑类器官作为一项颠覆性的技术,已经并将继续深刻地改变我们理解大脑、对抗脑疾病的方式。它不仅是连接基础神经科学与临床医学的桥梁,更是探索“人类何以成为人类”这一终极问题的独特工具。尽管前路仍有诸多技术和伦理的沟壑需要跨越,但随着跨学科合作的不断深入,更精细、更智能、更人性化的脑类器官模型必将问世,最终为揭示大脑奥秘、攻克神经系统疾病带来革命性的突破。
参考文献
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图文:李欣瑶
编辑:刘 姣
指导教师:陈德富
邮箱:chendefu@nankai.edu.cn
南开大学教授、博士生导师、分子遗传学实验室PI
西南联合研究生院博士生导师
中国遗传学会常务理事
中国遗传学会遗传学教育教学委员会副主任、标准委员会委员
天津市遗传学会理事长、支部书记
天津市农作物品种审定委员会委员
曾获“高等教育天津市级教学成果一等奖”(2004)
曾获首届“谈家桢遗传教育奖”(2013)
曾获《遗传》杂志优秀编委(2016)
曾任日本名古屋大学客座研究员
曾任南开大学遗传学和细胞生物学系系主任
曾任中国海洋发展研究中心特聘研究员
主办单位:陈德富实验室
承办单位:2025生物与医药班