眾所周知，大腦是人類智慧的集結(jié)，是最復(fù)雜的器官。人腦擁有近1000億個神經(jīng)元和100萬億個連接，由于其獨特的復(fù)雜性，在類器官模型構(gòu)建中難度最大。自2021年“中國腦計劃”正式啟動以來，腦類器官技術(shù)作為世界科技前沿技術(shù)，為我國多種腦疾病基礎(chǔ)研究及臨床應(yīng)用提供了重要支撐。

近日，環(huán)特生物腦類器官模型構(gòu)建成功，基于胚胎干細胞（ESCs）或人誘導(dǎo)多能干細胞（hIPSCs）經(jīng)人工培養(yǎng)分化而成的腦類器官，其功能組織結(jié)構(gòu)與大腦相似，可部分重現(xiàn)人類大腦發(fā)育、疾病發(fā)生的進程，用于模擬人腦發(fā)育和帕金森、阿爾茨海默、腦卒中、抑郁癥等疾病發(fā)生，神經(jīng)系統(tǒng)疾病機理研究及藥物篩選模型等，助力腦科學(xué)研究新時代！

腦類器官的研究方向

當前，隨著人源誘導(dǎo)多能干細胞（iPSCs）技術(shù)的發(fā)展，大腦類器官研究在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域炙手可熱。作為一種新興的研究工具，腦類器官在科學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，用于探究大腦發(fā)育、神經(jīng)發(fā)生機制研究、退行性病變、腫瘤等腦疾病研究等，為了解人類大腦、解析多種生物學(xué)、醫(yī)學(xué)問題帶來了希望，呈現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。其研究方向主要包括以下幾個方面：

構(gòu)建神經(jīng)系統(tǒng)疾病模型

通過構(gòu)建腦類器官模型，可以在類腦組織中觀察到與大腦發(fā)育類似的放射性膠質(zhì)細胞、中間前體細胞、深層及表層神經(jīng)元等，是模擬人腦生理特性的獨特而絕佳的工具。因此，構(gòu)建腦類器官神經(jīng)系統(tǒng)疾病模型，如自閉癥、精神分裂癥、阿爾茨海默病、漸凍癥等，通過模擬腦疾病病理過程，有助于研究疾病的發(fā)病機制，為藥物篩選和治療方法提供有力支持。

藥物篩選與個性化治療

腦類器官可作為藥物篩選平臺，基于高通量篩選系統(tǒng)及分類的表型指紋圖譜，構(gòu)建具有未知靶標的化合物庫，測試潛在的藥物化合物，用于評估候選藥物對神經(jīng)系統(tǒng)疾病的療效和副作用；也可通過結(jié)合基因編輯技術(shù)，構(gòu)建具有特定基因突變的腦類器官，識別基因開關(guān)，以研究個性化治療方案。

研究大腦發(fā)育與神經(jīng)發(fā)生機制

腦類器官可模擬大腦發(fā)育過程，通過將不同的外源類腦組織融合獲得復(fù)雜的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，探索早期發(fā)育大腦，用于腦發(fā)育過程的表觀遺傳學(xué)研究及神經(jīng)發(fā)生、神經(jīng)元分化、突觸形成等過程研究，從而有助于深入了解大腦發(fā)育的分子機制和信號通路，研究胚胎期表觀遺傳學(xué)信號分子對神經(jīng)發(fā)育的影響，為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的預(yù)防和治療提供理論支持。

神經(jīng)再生與修復(fù)機制研究

腦類器官還可用于研究神經(jīng)再生和修復(fù)機制，建立神經(jīng)發(fā)生、神經(jīng)存活、軸突生長和鈣穩(wěn)態(tài)等神經(jīng)機制表型缺陷，通過模擬神經(jīng)損傷后的修復(fù)過程，有助于發(fā)現(xiàn)促進神經(jīng)再生和修復(fù)的關(guān)鍵因子和信號通路，為神經(jīng)系統(tǒng)損傷的治療提供新的思路和方法。

腦類器官如何培養(yǎng)？

目前，兩種來源的干細胞可用于獲得類器官：多能干細胞（PSCs）和組織干細胞（TSCs）。近日，環(huán)特生物成功構(gòu)建腦類器官模型，通過人源誘導(dǎo)多能干細胞（iPSCs）來源在模擬大腦發(fā)育環(huán)境培養(yǎng)液中分化產(chǎn)生出類似人腦的三維組織，為研究人類大腦發(fā)育與功能、 疾病發(fā)生、 藥物發(fā)現(xiàn)等提供了新的研究模型。

環(huán)特生物依托于10多年的基因編輯及類器官、斑馬魚技術(shù)服務(wù)經(jīng)驗，已上線腦類器官相關(guān)試劑，并致力于為客戶開展iPSCs來源腦類器官構(gòu)建及鑒定、前腦類器官損傷模型構(gòu)建等技術(shù)服務(wù)，讓腦科學(xué)研究事半功倍。那么，腦類器官如何培養(yǎng)？

iPSCs來源腦類器官構(gòu)建方法

基于人源誘導(dǎo)多能干細胞（iPSCs），將iPSCs通過3D培養(yǎng)形成擬胚體后，對EB進行誘導(dǎo)分化，使其形成具有自我更新能力的神經(jīng)祖細胞，然后進一步延長3D培養(yǎng)階段，使其形成更復(fù)雜的分層結(jié)構(gòu)，類似于正在發(fā)育中的大腦皮層。具體來說，神經(jīng)祖細胞可以自組織形成連續(xù)的神經(jīng)上皮細胞組織，隨著這些腦區(qū)化結(jié)構(gòu)的發(fā)展，神經(jīng)祖細胞產(chǎn)生的神經(jīng)元會從生發(fā)區(qū)遷移到基底的區(qū)域。這種細胞分層和神經(jīng)細胞遷移與發(fā)育中的人類大腦非常相似。因此，iPSCs誘導(dǎo)形成的腦類器官是3D細胞聚集體，它可以自我組織以重建一些內(nèi)源性組織，表現(xiàn)出與人類大腦類似的生理特征。

通過iPSCs來源腦類器官構(gòu)建，可交付構(gòu)建完成的類器官（經(jīng)固定的類器官）、類器官明場顯微鏡鑒定、類器官marker鑒定等。示意圖如下：

圖1. 腦類器官培養(yǎng)不同階段明場典型圖

圖2. 神經(jīng)干細胞、前腦標志物及神經(jīng)元marker典型圖

前腦類器官損傷模型構(gòu)建方法

基于人源誘導(dǎo)多能干細胞（iPSCs）來源的正常前腦類器官品系，構(gòu)建酒精誘導(dǎo)的腦類器官損傷模型以及FBS誘導(dǎo)的類腦神經(jīng)損傷模型。正常大腦由于血腦屏障（BBB）的存在，腦組織不能直接接觸血液中的相關(guān)物質(zhì)。而在某些損傷條件下，腦組織的血腦屏障通透性改變，導(dǎo)致血液中的物質(zhì)泄露進入腦組織，從而引起腦組織的炎癥反應(yīng)，造成腦損傷。

因此，可以采用FBS對腦類器官進行體外暴露，模擬這一損傷過程，尋找相關(guān)的治療手段。SOX2是表征神經(jīng)干性的蛋白，在腦發(fā)育的過程中，SOX2應(yīng)成花環(huán)簇狀結(jié)構(gòu)分布，而損傷條件下，腦器官的發(fā)育會受到干擾從而影響神經(jīng)干性，因此可以通過SOX2的表達情況來反應(yīng)腦類器官的損傷情況。細胞凋亡中, 染色體DNA雙鏈斷裂或單鏈斷裂而產(chǎn)生大量的粘性3'-OH末端，可在脫氧核糖核苷酸末端轉(zhuǎn)移酶（TdT）的作用下，將脫氧核糖核苷酸和熒光素、過氧化物酶、堿性磷酸酶或生物素形成的衍生物標記到DNA的3'-末端，從而可進行凋亡細胞的檢測，這類方法稱為脫氧核糖核苷酸末端轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)的缺口末端標記法（terminal -deoxynucleotidyl transferase mediated nick end labeling, TUNEL）。

由于正常的或正在增殖的細胞幾乎沒有DNA的斷裂，因而沒有3'-OH形成，很少能夠被染色。因此，可以TUNEL染色反應(yīng)細胞凋亡情況。通過前腦類器官損傷模型構(gòu)建，對腦類器官SOX2熒光染色、腦類器官TUNEL染色進行評價，評估前腦類器官損傷情況及進行發(fā)生機制探究與治療。示意圖如下：

圖1. 用酒精及FBS處理后的腦類器官SOX2熒光染色典型圖

圖2. 用酒精及FBS處理后的腦類器官TUNEL染色典型圖

腦類器官前沿應(yīng)用案例

大腦是復(fù)雜又精密的細胞網(wǎng)絡(luò)集合體。當前，隨著腦類器官模型的不斷精進，在自閉癥、漸凍癥等復(fù)雜腦部疾病建模及研究、神經(jīng)再生與修復(fù)研究、大腦發(fā)育與神經(jīng)發(fā)生機制研究等方面不斷涌現(xiàn)出許多創(chuàng)新性突破研究，為腦科學(xué)及神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展提供了新的契機，有望為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療和藥物研發(fā)帶來革命性的突破。腦類器官國際前沿應(yīng)用進展如下:

疾病建模與研究上的應(yīng)用

在疾病建模方面，腦類器官被廣泛應(yīng)用于模擬神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如自閉癥、漸凍癥、Rett綜合癥、帕金森病和阿爾茨海默病等。通過構(gòu)建疾病相關(guān)的腦類器官模型，研究人員可以更深入地了解疾病的發(fā)病機制，為藥物研發(fā)和新藥篩選提供有力工具。

自閉癥：2023年10月，奧地利和瑞士科學(xué)家在《Nature》（影響因子IF=64.8）發(fā)表最新研究論文，開創(chuàng)性地將人腦類器官、單細胞基因測序和基因編輯技術(shù)融為一體，從而實現(xiàn)了高通量、高精度、高穩(wěn)健地在人類大腦類器官的單細胞水平上全面測試形成自閉癥發(fā)育缺陷的基因突變及細胞類型，為研究最復(fù)雜的腦類疾病帶來新希望。

漸凍癥：運動神經(jīng)元的損傷會導(dǎo)致肌肉無法正常收縮，影響人體的運動能力，“漸凍癥”就是其中的代表之一。斯坦福大學(xué)研究團隊首次成功生成了負責自主運動的人類神經(jīng)回路的三維模型。他們利用iPSC技術(shù)產(chǎn)生三種類器官——大腦皮層、脊髓和骨骼肌，并將它們在培養(yǎng)皿里自行“組裝”起來，開辟出漸凍癥治療新視角。

圖為PSC衍生人腦皮質(zhì)-運動類器官組裝體

Rett綜合癥：Rett綜合癥是一種嚴重影響兒童精神運動發(fā)育的疾病，其病因是在X染色體上的MeCP2基因發(fā)生突變。由于缺乏有效的治療方法，且傳統(tǒng)的2D和3D培養(yǎng)細胞無法體現(xiàn)疾病表征，研究人員利用腦類器官模型進行研究。通過分別培養(yǎng)不同區(qū)域大腦的腦類器官，并將這些類器官組合起來，用高分辨率MEA進行檢測，有助于更深入地理解Rett綜合癥的發(fā)病機制，并為未來的治療提供線索。

寨卡病毒：研究人員利用腦類器官揭示了寨卡病毒導(dǎo)致先天性顱缺損（小頭癥）的致病機制，發(fā)現(xiàn)人神經(jīng)祖細胞是寨卡病毒的直接作用靶點，并利用腦類器官模型進行了藥物篩選，發(fā)現(xiàn)了一種具有治療潛力的小分子抑制劑。這為寨卡病毒的治療提供了新的候選藥物。

在藥物篩選與個性化治療上的應(yīng)用

自腦類器官技術(shù)誕生以來，由患者來源的誘導(dǎo)多能干細胞（iPSC）分化的人腦類器官作為研究人類特有腦疾病機制的優(yōu)良模型，在藥物篩選、臨床前測試、個性化治療等方面具有廣闊的前景。

2021年的一項研究探究了唐氏綜合征患者來源的人腦類器官存在皮層發(fā)育缺陷，而通過干預(yù)DSCAM基因表達及抑制下游分子PAK1可挽救該發(fā)育缺陷。通過這種方式，體外誘導(dǎo)的人腦類器官不僅可以用于探究疾病，更可以成為疾病治療方案篩選的良好工具，為研究神經(jīng)系統(tǒng)疾的研究者們提供了人源化的模型。

最近，斯坦福大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家帕斯卡領(lǐng)導(dǎo)其團隊在國際頂級期刊Nature上發(fā)表了一篇關(guān)于大腦類器官的最新研究性文章。在這項研究中，研究人員將人的多能干細胞誘導(dǎo)分化為大腦皮質(zhì)類器官后原位移植于新生無胸腺大鼠的體感皮層中，構(gòu)建了人鼠混合大腦類器官——t-hCO。這種類器官不僅可以在大鼠體內(nèi)正常生長，展現(xiàn)出正常的大腦生理結(jié)構(gòu)，還可以參與大腦控制行為的神經(jīng)環(huán)路。這一研究為大腦神經(jīng)退行性疾病研究和新藥開發(fā)提供了新的策略。

此外，已有研究表明，腦類器官對已建立的抗棱蛋白化合物有反應(yīng)，表面其作為藥物篩選模型具有巨大的潛力。

在研究大腦發(fā)育上的應(yīng)用

2024年1月8日，荷蘭瑪西瑪公主兒童腫瘤中心（Princess Máxima Centre for Pediatric Oncology）等單位的研究人員開辟了一種全新的方法，他們直接從人類胎兒的腦組織中開發(fā)出了大腦類器官，為研究與大腦發(fā)育相關(guān)的疾病（包括腦腫瘤）的發(fā)展和治療提供了一種有價值的手段。

該研究以 Human fetal brain self-organizes into long-term expanding organoids 為題發(fā)表在 Cell 雜志。該研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)健康的人類胎兒腦組織在體外自行組織成類器官（Fetal brain in vitro self-organizes into organoids, FeBOs），表現(xiàn)出與體內(nèi)細胞相似的異質(zhì)性和復(fù)雜的組織。FeBOs 的生長需要維持組織的完整性，這保證了組織狀細胞外基質(zhì)（ECM）生態(tài)位的產(chǎn)生，最終賦予 FeBOs 擴張的能力。利用 CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，研究人員還展示了用于腦癌研究的同基因突變 FeBOs 細胞系的生成。

來源：Human fetal brain self-organizes into long-term expanding organoids

在神經(jīng)再生與修復(fù)研究上的應(yīng)用

腦類器官在神經(jīng)再生與修復(fù)研究中也發(fā)揮著重要作用。研究人員利用腦類器官模型研究神經(jīng)干細胞的分化、遷移和突觸形成等過程，為神經(jīng)再生醫(yī)學(xué)提供新的思路和方法。

2023年11月，新加坡國立大學(xué) Florent Ginhoux 團隊在《Nature》（影響因子IF=64.8）發(fā)表最新研究成果，通過腦類器官揭示小膠質(zhì)細胞在人腦發(fā)育中的作用。該研究通過將多能干細胞來源的巨噬細胞與大腦類器官共培養(yǎng)模擬胚胎小膠質(zhì)細胞的特征，胚胎小膠質(zhì)細胞可以合成膽固醇并儲存在脂滴中，被神經(jīng)元前體細胞所攝取，影響神經(jīng)元前體細胞成熟和分化。腦類器官為未來神經(jīng)科學(xué)研究和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療提供了強有力的模型。

來源：iPS-cell-derived microglia promote brain organoid maturation via cholesterol transfer

近年來，隨著類器官技術(shù)的不斷發(fā)展，為疾病治療、新藥研發(fā)及機制研究等提供了新的可能性。環(huán)特生物依托于斑馬魚+哺乳動物+類器官+基因編輯4大技術(shù)平臺，基于過去10余年持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新實踐，以專業(yè)、前沿的技術(shù)服務(wù)解決方案，助力科研人員在類器官技術(shù)應(yīng)用與科學(xué)研究上取得更多突破，共同探索更多未知，開創(chuàng)腦科學(xué)研究新時代！

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