生物工程创新助力神经类器官发展提升保真度与功能

神经类器官作为研究人类神经系统发育和疾病的重要模型，近年来取得了显著进展。然而，当前的神经类器官在模拟大脑解剖结构、细胞类型多样性和神经网络功能方面仍存在局限性，无法完全重现自然神经系统中的复杂性。为了克服这些挑战，生物工程领域的创新技术被引入神经类器官的研究中，以期通过精确控制细胞形态、信号传导和生物物理微环境等手段，提升神经类器官的保真度和功能。

2025年5月1日，发表在Cell Stem Cell上题为Bioengineering innovations for neural organoids with enhanced fidelity and function的综述介绍了近年来在神经类器官领域中生物工程创新技术的应用进展，重点探讨了如何通过控制形态发生素信号和生物物理微环境来提高神经类器官的效率、保真度和实用性。研究内容包括利用微流控技术、光遗传学、生物电子学等手段，实现神经类器官的精确模式化和功能化。此外，文章还讨论了神经类器官在疾病建模、药物筛选和信息处理中的潜在应用，并对相关的生物伦理问题进行了探讨。

图示描述

1) 区域特异性神经类器官的信号调控机制。神经类器官的区域化依赖于BMP、WNT、FGF、RA和SHH等信号通路的精确调控。BMP和TGF-b信号的抑制可诱导胚胎体(EB)形成神经上皮组织;WNT和FGF信号主导神经管的前后轴模式化;SHH信号则在背腹轴模式化中起关键作用。通过精确调控这些信号通路，可生成具有特定脑区特征的神经类器官，如皮层类器官、基底神经节类器官和脊髓类器官，为研究人类大脑发育和疾病提供了重要模型。

图1展示了区域特异性神经类器官的信号调控机制，强调了多种信号通路在神经类器官发育中的关键作用。

2) 神经管模式化的形态发生素梯度及工程化方法。神经管的模式化依赖于WNT信号在前后轴模式化中的主导作用，以及SHH信号在背腹轴模式化中的关键作用。通过微流控技术、扩散基梯度发生器和光遗传学等方法，可在体外生成稳定的WNT和SHH梯度，诱导神经上皮组织沿前后轴分化为不同脑区，如前脑、中脑和后脑，同时诱导神经管形成不同的背腹区域。这些工程化方法为研究神经系统发育和疾病机制提供了新的工具。

图2展示了神经管模式化的形态发生素梯度及工程化方法，强调了在体外模拟这些梯度以实现神经类器官精确模式化的技术。

3) 生物物理线索对神经类器官发育的调控。ECM通过与细胞表面受体的相互作用调节细胞信号传导，不同成分的ECM对神经类器官的发育有不同的影响。组织几何形状通过影响细胞行为和组织形态调控神经类器官的发育，机械力则通过细胞表面受体和细胞骨架的相互作用影响细胞行为和组织形态。通过优化ECM成分和机械性质，以及控制组织几何形状和机械力，可显著提高神经类器官的发育效率和保真度，为研究神经系统发育和疾病机制提供了新的思路。

图3展示了生物物理线索对神经类器官发育的调控，强调了细胞外基质(ECM)、组织几何形状和机械力的作用。

全文总结

神经类器官在模拟人类大脑发育和疾病研究中取得了显著进展，但仍需生物工程创新来提升其精确性、成熟度和复杂性。生物工程工具可优化分子信号的时空控制，提供更适宜的微环境，并整合多区域与多细胞类型，对构建更真实的大脑模型至关重要。未来研究将聚焦于拓展神经类器官在疾病模型和筛选系统中的应用，提高其成熟度和复杂性，以及发展替代策略，如干细胞胚胎模型和生物制造方法。这些进步需要生物工程师与神经科学家紧密合作。同时，随着技术发展，生物伦理问题也需关注，包括细胞获取、捐赠者同意、研究监督等。以价值为导向的设计伦理应贯穿研究全过程，确保技术发展符合科学和社会需求。总之，生物工程增强的神经类器官为解开人类脑发育和疾病之谜提供了强大工具，未来研究前景广阔。