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类器官简述

类器官技术，使用来自干细胞的三维培养物以模拟天然器官的结构和功能，这代表了生物医学科学的一项重大进步，为人类生理和病理学提供了革命性视角。类器官技术深刻影响了各个领域，尤其是肿瘤学和再生医学，表现出无与伦比的适应性和精确性。

类器官，本质上是器官的微型版本，为理解人类生物学提供了一个高度生理学相关的模型。这一相关性在药物开发领域尤其关键，而传统模式在这一领域往往达不到要求。与二维细胞培养或动物模型相比，类器官能够更准确地反映人体组织，从而实现更可靠、更高效的药物筛选和功能验证。

在众多类器官中，脑类器官是尤为浓墨重彩的一章。数百年来，解开人类大脑发育和神经系统疾病的奥秘一直是脑科学和医学领域的重大挑战，学界付出了各种努力，不仅建立了各种体内外细胞以及动物模型，还尝试利用二维方法培养人脑神经元来解析相关疾病发生机制。然而，对于动物模型，由于物种差异，实验室的模式动物大脑模型无法完全真实模拟人类大脑的复杂性，实验结果可能并不完全适用于人类大脑。培养皿中生长出来的二维神经元，其空间结构、细胞类型复杂程度、互作以及微环境等，也与三维人脑相差甚远。脑类器官恰好弥补了上述缺陷，脑类器官尤其为人脑研究和模拟许多人类神经系统疾病提供了便利。

类器官的历史和发展

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脑类器官的产生

我们的大脑是一个复杂的能够发送和接收信息的神经元网络，但神经元（neurons）只占人类大脑的一半，另一半则是非神经元细胞——神经胶质细胞。最常见的神经胶质细胞是星形胶质细胞（astrocytes），其对支持神经元健康和活动非常重要。然而，现有的人类大脑模型通常未能充分包含甚至完全不包含星形胶质细胞，这限制了这些模型用于研究大脑健康和疾病的实用性。

2008年，日本干细胞生物学家笹井芳树（Yoshiki Sasai）团队发现，来源于干细胞自发组织的神经球中可以产生皮层样结构，包含有皮层祖细胞和功能神经元，这便是首个初级脑类器官模型。2013年，奥地利科学院分子生物技术研究所的Jürgen Knoblich和英国剑桥大学发育生物学家Madeline Lancaster 在《自然》（Nature）发表论文文，报告了首个人类多能干细胞衍生的三维脑类器官，团队利用生物凝胶matrigel来模拟大脑周围组织，并使用旋转生物反应器来帮助营养的吸收和氧气扩散，在这样持续的三维悬浮培养中添加促进神经发育的生长因子，最终获得了进一步完善的脑类器官培养物，它包含类似于前脑、脉络丛、海马、前额叶等多个独立又相互依赖的脑区结构。

随后，世界各地的科学家不断摸索各种具有脑区特异性的脑类器官，他们组合不同小分子和生长因子，成功得到了包括中脑、丘脑、小脑、纹状体等脑类器官。还有的科学家尝试将两个甚至多个脑区类器官组装起来，形成“类组装体”（assembloids），进一步模拟真实情况下人类大脑发育、神经元迁移等过程。例如，2019年一篇发表在《细胞干细胞》（Cell Stem Cell）期刊上的论文将丘脑类器官与皮层类器官融合，以模拟丘脑-皮层之间的神经元双向投射过程。除了多个脑区组装，也有研究将脑类器官与肌肉组织等非神经类器官组装起来，观察神经对其他组织的支配作用，得到了与真实人体内相似的结果。

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脑类器官在神经系统疾病研究和治疗方面的可能性

已有研究证实，脑类器官可模拟遗传缺陷或感染性疾病引起的先天性脑畸形，以及神经退行性疾病相关表征。例如，脑类器官暴露于寨卡病毒导致细胞增殖抑制、死亡增加、类器官大小急剧减小，并且表现出包括神经元变薄、顶面粘附连接中断和脑室腔扩张等一系列先天性寨卡综合征特征。

还有研究者在由家族性阿尔兹海默症（Alzheimer's disease，AD）患者的iPSCs衍生的脑类器官中检测到了包括淀粉样斑块和神经原纤维缠结等病理异常特征，这一结果的发现证明了使用患者体细胞开发患者特异性体外AD模型的可行性。LRRK2G2019S基因突变与帕金森病（Parkinson's disease，PD）病理过程中多巴胺能神经元的进行性缺失有关， 在 由iPSCs诱导的具有LRRK2G2019S突变的脑类器官中检测到了包括pS129突触核蛋白囊泡的异常定位和具有自噬标记的有丝分裂吞噬等在内的PD样病理学特征。并且，LRRK2激酶抑制剂的治疗能够缓解磷酸化α⁃突触核蛋白的积聚和多巴胺能神经元死亡。这些研究，为脑类器官在发现靶向药物和有效的治疗干预等方面提供了新平台。

总之，3Ｄ脑类器官在生理组织结构及神经功能方面一定程度上可以模拟正常及疾病状态下的人脑发育及功能，培养大量一致性高的3Ｄ脑类器官，为进一步探究脑类疾病的发病机制以及寻找其治疗策略提供可能。

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类器官的基本培养流程

干细胞的诱导：使用人类胚胎干细胞或诱导多能干细胞（iPSCs），通过特定的培养基和条件诱导这些干细胞形成胚状体，这些胚状体包含内胚层、中胚层和外胚层三种胚胎层。

胚状体培养：将胚状体置于旋转生物反应器中进行培养，促进其自我组织和发育成三维结构。

特定区域的分化：通过添加特定的生长因子和调控因子，指导胚状体向脑区特异性器官模型发展，如前脑、后脑等。

成熟和功能验证：在适宜的培养条件下，类器官进一步发育和成熟，表现出类似于人类大脑的结构和功能特征。使用单细胞RNA测序、免疫荧光染色等方法对类器官进行表征和验证。

构建的脑类器官可以应用于各种研究领域，包括神经科学、药物发现和疾病建模等。例如，脑类器官可以用于研究神经系统中的神经环路和信号传导，或用于筛选潜在的药物候选物以治疗神经系统疾病。此外，脑类器官还可以用于研究神经系统发育和疾病进展的过程。为了将脑类器官应用于研究领域，需要建立相应的实验方法和操作流程，并确保其可靠性、可重复性和标准化。

图片来源：pixabay

尽管脑类器官距离真实大脑还很遥远，但这不妨碍科学家超前思索一个问题：“培养皿中的类大脑”会最终产生意识吗？

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