神经类器官的生成及其在疾病建模和再生医学中的应用

人类神经系统的复杂性和精确性为研究者寻找合适的模型来阐明难治性神经疾病提出了重大挑战。传统方法，包括单层细胞培养和动物模型，往往无法复制人类神经组织的复杂性。单层培养虽然适合研究细胞功能和通讯机制，但无法重现复杂的细胞相互作用、组织结构和人类中枢神经系统的生理功能。动物模型则表现出种属特异性差异，限制了其对人类疾病的转化相关性。

干细胞衍生的类器官技术的出现解决了这些限制中的许多问题，为研究人类胚胎大脑和脊髓的结构和功能提供了高度代表性的平台。研究者通过模拟神经发育中的形态发生梯度，诱导产生了具有区域特征的神经类器官。最新进展表明，神经类器官在疾病建模方面具有实用性，为各种神经疾病的病理生理学提供了见解，同时在神经再生领域也显示出巨大潜力。

然而，神经类器官因缺乏小胶质细胞或血管系统而存在发育缺陷。除了诱导方法外，微流控技术被用来模拟动态生理环境;生物制造技术被用来调节物理信号并塑造复杂器官的结构。这些技术进一步扩展了神经类器官的构建策略和应用范围。随着新材料范式的出现和人工智能的进步，神经类器官领域迎来了新的可能性。

近期，同济大学朱融融团队发布在Advanced science期刊，题为Generation of Neural Organoids and Their Application in Disease Modeling and Regenerative Medicine的综述性文章总结了受人类神经发育模式启发的神经类器官的生成方法，包括设计特定区域的类器官以及与血管结构整合或具备免疫功能的类器官。研究者还探讨了利用神经类器官进行疾病建模和移植应用的最新进展。

图示描述

1，神经管发育与中枢神经系统形成机制。神经管的形成是一个复杂过程，涉及神经诱导、细胞增殖、分化、迁移、轴突生长和突触发生等多种细胞行为。神经管发育始于胚胎的三胚层期，源于外胚层。脊索沿身体轴分泌信号分子诱导神经管形成。神经管的模式化主要涉及前后轴和背腹轴的建立，背侧骨形态发生蛋白4(BMP4)和Wnt信号分子与腹侧分泌的Sonic hedgehog(SHH)的交叉梯度导致腹侧亚苍白球(高表达DLX2/NKX2-1)与背侧苍白球(高表达PAX6)的分化。在脊髓中，背侧区域PAX6和PAX3的高表达以及腹侧区域NKX6-1、Olig2和Foxa2的高表达可被检测到，这些转录因子指导祖细胞分化为区域特异性神经元。

图1 人类中枢神经系统的发育

2，多样化神经类器官的构建进展。研究者开发了多种类型的神经类器官，包括大脑类器官、脊髓类器官和周围神经系统类器官。大脑类器官方面，Lancaster等开发了来源于人类多能干细胞的3D类器官培养系统，其特征是跨多个区域的异质结构和独特的人类大脑特征，包括内纤维层(IFL)和外侧脑室下区(OSVZ)。该系统有效模拟了人类大脑皮层的发育特征，能够长期培养至少十个月。脊髓类器官构建方面，研究者通过激活BMP4和SHH信号通路，使用SFEBq方法诱导人iPSCs形成包含各种脊髓神经元亚型的背侧和腹侧脊髓样组织。Lee等提出了模拟早期脊髓诱导和神经管形态发生的脊髓样类器官构建方法，通过给予WNT激活剂CHIR99021和TGF-β信号抑制剂SB431542诱导尾侧神经干细胞形成球体。

图2 从多能干细胞衍生的神经类器官的构建过程

3，含有中胚层细胞的神经类器官发展。中枢神经系统由神经元和非神经元细胞组成，非神经元细胞包括星形胶质细胞、小胶质细胞、内皮细胞和周细胞。研究者开始解决中枢神经系统中非神经元外胚层成分的缺陷，特别关注小胶质细胞和血管内皮细胞的纳入。小胶质细胞是中枢神经系统的常驻巨噬细胞，在人类早期胚胎发育期间，来自卵黄囊的原始巨噬细胞祖细胞通过血管系统在妊娠4.5周左右迁移到中枢神经系统。为获得可重现且更均质的含小胶质细胞神经类器官，多个研究团队诱导iPSCs产生小胶质细胞样细胞，然后直接与大脑类器官融合。这种方法产生了类似于体内小胶质细胞的表型，它们响应并聚集在类器官内物理神经损伤区域，表现出变形虫形态。2023年，Park等将大脑类器官与来自同一iPSC系的巨噬细胞(iMACs)共培养，iMACs在类器官中分化为具有小胶质细胞表型的细胞。

图3 含小胶质细胞的神经类器官的生成与应用

4，疾病建模与治疗应用。神经类器官广泛应用于多种神经疾病的建模研究。在阿尔茨海默病研究中，使用患者衍生细胞构建大脑类器官是建模疾病的有效手段。研究者观察到时间依赖性Aβ沉积，野生型iPSCs衍生的迷你大脑对化合物诱导表现出反应性，导致Aβ浓度的生理变化。在帕金森病研究中，研究者构建了具有空间排列多巴胺能神经元群的人类中脑类器官，检测到突触连接、电生理活动和髓鞘形成。在药物筛选应用方面，大脑类器官技术在药物筛选领域展现出巨大潜力。研究者开发了完全人源性iPSC衍生的血脑屏障芯片模型，准确预测药物跨血脑屏障的渗透性，并为个性化医学提供平台。此外，脊髓类器官在脊髓损伤治疗中显示出promising应用前景，移植脊髓类器官后显著促进轴突再生，并实现更高的Basso Beattie Bresnahan评分。

图4 脑类器官在神经疾病模型中的应用

5，前沿技术与未来展望。微流控和类器官芯片技术为神经类器官构建提供了新机遇。器官芯片技术克服了传统类器官构建方法的局限性，芯片内的微通道促进了体外胚胎器官发生所必需的形态发生梯度微环境的建立。生物功能材料的应用为类器官构建带来了新范式，智能材料响应外部刺激，包括温度、pH或光线，被用来控制生长因子或基因载体的释放。人工智能技术与类器官技术的整合具有深入阐明细胞信息和优化构建方案的潜力。最近的研究结合单细胞RNA测序与机器学习方法，对类器官内细胞异质性进行了深入分析。AI在大数据处理方面的能力提高了研究者从类器官模型中获得生物学见解的能力。这些新兴方向为个性化医学和神经科学提供了前所未有的机会。

图5 器官芯片技术为优化类器官培养方案提供了新的机遇

全文总结

本研究全面综述了神经类器官技术的最新进展，为神经科学研究和临床转化提供了重要参考。神经类器官作为研究人类神经发育和神经疾病的强大平台，克服了传统动物模型种属差异的局限性，为理解人类特异性神经发育机制和疾病病理提供了新的视角。该技术在药物筛选、疾病建模和再生医学领域的应用前景广阔，特别是在个性化医学和精准治疗方面具有重要价值。随着前沿技术如微流控、生物材料工程和人工智能的整合，神经类器官技术正朝着更加成熟和实用的方向发展。这些进展不仅推动了基础神经科学研究，也为神经系统疾病的治疗提供了新的策略和希望，具有重要的科学意义和临床应用价值。