脑类器官在虫媒病毒感染机制研究中的应用与挑战综述

虫媒病毒(arboviruses)通过吸血节肢动物(如蚊子、蜱虫)传播，可引发发热、出血热、脑炎等严重疾病，全球每年导致约 10 亿感染病例和 100 万死亡，对公共卫生构成重大威胁。然而，现有研究模型存在显著局限：2D 细胞系(如 Vero 细胞)类型单一且非神经来源，无法模拟病毒对神经系统的靶向感染;动物模型因种属差异，难以复现人类特异性病理过程(如寨卡病毒导致的小头畸形)。脑类器官源于人多能干细胞，能模拟人脑发育的细胞多样性和结构特征，为研究虫媒病毒的神经侵袭机制、宿主互作及药物筛选提供了理想模型。本综述总结了脑类器官在 Zika 病毒(ZIKV)、日本脑炎病毒(JEV)、拉克罗斯病毒(LACV)等研究中的应用，分析其局限性并提出未来方向。

来自中国山东理工大学生命科学与医学院的团队在《Microorganisms》(2025 年，Vol. 13)发表了题为The Application and Challenges of Brain Organoids in Exploring the Mechanism of Arbovirus Infection的综述。

核心内容如下：

研究方法：

脑类器官构建：从人胚胎干细胞(hESCs)或诱导多能干细胞(hiPSCs)诱导形成 3D 结构，通过调控 SMAD、Wnt 等信号通路模拟 forebrain、cortical 等脑区发育，结合旋转 / 摇摆培养系统促进成熟;

病毒感染研究：针对 ZIKV、JEV、LACV 等，通过免疫荧光、qPCR、单细胞测序等方法，分析感染的靶细胞类型、分子机制及病理表型;

模型验证：对比传统模型，验证脑类器官在复现病毒诱导的神经细胞死亡、神经发生异常等方面的优势。

关键结果：

ZIKV 感染：主要靶向神经祖细胞(NPCs)、外层放射状胶质细胞(oRGCs)，通过激活 TLR3 通路诱导凋亡，干扰 Wnt 信号通路导致小头畸形，亚洲株系比非洲株系更易破坏皮质发育;

JEV 感染：偏好感染 NPCs 和 oRGCs，通过上调 RIG-I 触发 IFN-β 介导的 innate 免疫应答，与 ZIKV 不同，不激活 TLR3 通路;

LACV 感染：优先感染分化神经元，因其 IFN 应答较弱更易凋亡，外源性 IFN 可提高感染后细胞存活率;模型优势：脑类器官能复现病毒的细胞特异性靶向、神经发育异常(如皮质变薄)及免疫应答差异，优于 2D 细胞和动物模型，为药物筛选(如 25 - 羟基胆固醇抑制 ZIKV)提供平台。

局限性：类器官存在批次异质性、缺乏血管和免疫细胞、存活时间短，且难以模拟成年脑感染机制;伦理争议涉及 hESCs 使用及 “人性化” 动物模型风险。

实验结果

图 1：过去二十年虫媒病毒相关疾病的爆发时间

该图展示 1999-2024 年间主要虫媒病毒的爆发时间线，包括登革病毒(DENV)、寨卡病毒(ZIKV)、日本脑炎病毒(JEV)等。结果显示虫媒病毒爆发频率高且分布广泛，凸显其持续的全球健康威胁，为脑类器官模型的应用必要性提供背景支持，强调研究病毒感染机制的紧迫性。

图 2：脑类器官发育成熟的关键时间节点

该图呈现从人诱导多能干细胞(hiPSCs)生成脑类器官的四阶段进程：(A)0-5 天形成胚状体(EBs)，呈圆形、边缘光滑，直径 > 300μm;(B)5-7 天诱导阶段，EBs 边缘半透明;(C)7-10 天扩增阶段，神经上皮细胞增殖，EB 表面出芽;(D)10-40 天成熟阶段，形成致密核心、半透明边缘，出现成熟神经元。图示清晰展示类器官模拟人脑早期发育的时间线，为病毒感染实验的时机选择提供参考。

图 3：虫媒病毒感染的脑类器官及神经细胞类型

该图对比 ZIKV、JEV、LACV 感染脑类器官的靶细胞及病理结果。脑类器官含多种神经细胞(星形胶质细胞、神经祖细胞、神经元等)：ZIKV 主要感染神经祖细胞(NPCs)、外层放射状胶质细胞(oRGCs)，导致小头畸形和类器官萎缩;JEV 靶向 NPCs、oRGCs 及星形胶质细胞，引发神经炎症和功能障碍;LACV 偏好感染分化神经元，导致细胞死亡。图示直观呈现三种病毒的感染特异性及病理差异，验证脑类器官模拟神经侵袭的能力。

全文总结

本综述系统阐述了脑类器官在虫媒病毒感染研究中的应用价值：ZIKV、JEV、LACV 通过不同机制靶向特定神经细胞(如 NPCs、分化神经元)，导致神经发育异常或细胞死亡，脑类器官能精准复现这些人类特异性病理过程，优于传统模型。然而，类器官存在批次异质性、免疫缺陷、血管缺失及寿命短等局限，且伦理争议(如 hESCs 使用、“意识” 阈值)需关注。未来需建立标准化培养体系、构建含免疫细胞和血管的复杂模型、结合 3D 生物打印和微流控技术，以提升模型保真度，推动抗病毒药物研发和感染机制研究。