神经发育、神经退行性病变和病毒学研究中的类脑器官

什么是类脑器官?

类脑器官，也称为人脑类器官，是胚胎干细胞 (ESC) 或人类诱导多能干细胞 (hIPSC) 经人工培养所分化形成的微型器官，其功能组织结构与人脑相似。类脑器官来源于人类细胞，有些体外和体内研究方法不能用于人类，但可以用于类脑器官，从而开展神经生理学和疾病研究。

类脑器官的培育始于通过干细胞培养形成类胚体，类胚体具有与胚胎相同的三个发育层：内胚层、中胚层和外胚层。接下来是神经外胚层的分化和神经上皮层的扩张。此方案最初由 Lancaster 等人设计开发，此后经过改进，通过添加细胞外信号（也称为模式因子），能够生成可复现特定脑区的类器官。例如，成熟类器官可以具有表达海马神经元遗传标志物以及视杯和皮质层的区域。用 Ca²⁺ 指示染料进行成像，成熟类器官中的皮质神经元表现为自发性 Ca²⁺ 波和 Ca²⁺ 振荡，这两种信号都是功能性神经元信号传导的特征。

类脑器官的应用

类脑器官可用于研究神经生理学和神经发育，以及模拟各种神经系统疾病。类脑器官源自人类细胞，在动物模型与临床研究之间架起了一座桥梁。此外，研究人员能够使用患者的干细胞生成类器官，据此研究与细胞过程直接相关的疾病机制。

用于神经发育研究的类脑器官

由于小鼠/大鼠与人类间大脑发育方式和成熟皮层表面积的差异，神经发育和神经发育障碍很难在啮齿类动物模型中进行研究。类脑器官发育与胎儿大脑发育相似，这有助于研究神经发育过程，包括特定脑区的发育以及神经发育障碍。

小头畸形是一种罕见的神经系统疾病，表现为大脑和头部发育异常，通常认为此病系发育过程中神经祖细胞 (NPC) 耗竭所致。Lancaster 等人（2013 年）和 Gabriel 等人（2016 年）利用经小头畸形患者干细胞生成的类脑器官开展研究，结果表明，与健康捐赠者类器官中的 NPC 相比，小头畸形患者类器官中的 NPC 出现了不对称细胞分裂和过早分化。

同样，也可使用类器官来研究单基因孤独症谱系障碍，如 Timothy 综合征，该病由 Ca_v1.x（L 型）钙通道基因 CACNA1C 的错义突变引起。培育自 Timothy 综合征患者的背侧和腹侧前脑类器官存在 Ca²⁺ 信号传导缺陷，以及 γ-氨基丁酸 (GABA) 能中间神经元迁移异常（Birey 等人，2017 年）

用于神经退行性病变研究的类脑器官

阿尔茨海默症 (AD) 是一种进行性神经退行性疾病，其病理特征是蛋白质聚集和神经元丢失，导致认知和功能缺损。尽管大多数 AD 病例是散发的，但有一小部分病例具有遗传性。培育自早发性家族性 AD 患者细胞的类器官中既存在细胞内 β 淀粉样蛋白 (Aβ) 斑块，也存在细胞外神经原纤维缠结，这些是通过动物模型所难以证实的病理学特征。

Park 等人通过在微流控系统中将神经元和星形胶质细胞（由患者干细胞衍生的人神经祖细胞 [hNPC] 分化而来）与人小胶质细胞系进行共培养，建立了 AD 类脑器官模型。这种类器官系统成功地模拟了 AD 的主要特征，包括 Aβ 聚集、磷酸化 Tau 累积和相关的神经炎症，并反映了 AD 中的小胶质细胞募集、神经毒性活动和一氧化氮 (NO) 释放，后者会损伤星形胶质细胞和神经元。与大多数动物模型相比，这种类器官共培养为 AD 病理学研究提供了更加精确、全面的模型。

用于病毒学研究的类脑器官

类脑器官还被用于病毒学研究中。寨卡病毒是一种经由蚊虫传播的黄病毒属病毒，成人感染后症状轻微，但孕妇感染上该病毒后，会导致胎儿小头畸形和严重的胎儿脑缺陷。借助感染寨卡病毒的类脑器官，Qian 等人（2017 年）和 Long 等人（2020 年）利用超分辨率显微镜进行观察，结果表明该病毒会导致内质网重组，从而促进病毒复制。

同样，类脑器官也被用来研究 SARS-CoV-2 引起的新冠肺炎神经系统症状。严重病例的症状包括头痛、味觉和嗅觉丧失、意识混乱和癫痫发作。在死亡病例的脑活检中，发现了 SARS-CoV-2。Zhang 等人发现，SARS-CoV-2 可感染类脑器官，其位置分布与神经元和 NPC 标志物一致，且病毒可在神经元中复制并主动释放病毒子代。

标题图像摘自 Lancaster 等人（2013 年）。红色为对 Sox2 染色的神经祖细胞，绿色为对 Tuj1 染色的神经元，蓝色为 Hoechst 33342（目录编号 5117）染色的细胞核。。

参考文献

Amin & Pasca (2018) Building models of brain disorders with three-dimensional organoids. Neuron. 100, 389. PMID: 30359604

Birey et al (2017) Assembly of functionally integrated human forebrain spheroids. Nature. 545, 54. PMID: 28445465

Chiaradia & Lancaster (2020) Brain organoids for the study of human neurobiology at the interface of in vitro and in vivo. Nat.Neurosci. 23, 1496. PMID: 33139941

Gabriel et al (2016) CPAP promotes timely cilium disassembly to maintain neural progenitor pool. EMBO J. 35, 803. PMID: 26929011

Lancaster et al (2013) Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature. 501, 373. PMID: 23995685

Long et al (2020) Super resolution microscopy and deep learning identify Zika virus reorganization of the endoplasmic reticulum. Sci.Rep. 10. PMID: 33262363

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Qian et al (2017) Using brain organoids to understand Zika virus-induced microcephaly. Development. 144, 952. PMID: 28292840

Zhang et al (2020) SARS-CoV-2 infects human neural progenitor cells and brain organoids. Cell Res. 30, 928. PMID: 32753756