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腦類器官（Brain Organoids）是一種在體外培養(yǎng)的三維人腦模擬模型，能夠重現(xiàn)人類腦組織的多種特征，包括早期腦發(fā)育的細胞結(jié)構(gòu)、細胞多樣性、細胞間及細胞與基質(zhì)間的相互作用，以及多種神經(jīng)細胞類型的特性，這些是傳統(tǒng)二維單層培養(yǎng)所無法實現(xiàn)的。它能模擬人腦早期發(fā)育的結(jié)構(gòu)和細胞多樣性，包含多種神經(jīng)細胞類型（如神經(jīng)元、膠質(zhì)細胞）并自發(fā)形成類似腦區(qū)的組織結(jié)構(gòu)，因此被稱為“迷你腦”。與二維模型不同，三維類器官可模擬組織的立體結(jié)構(gòu)，更接近體內(nèi)真實腦組織的形態(tài)。 腦類器官廣泛應(yīng)用于神經(jīng)發(fā)育研究、神經(jīng)系統(tǒng)疾病建模（如自閉癥、帕金森病、寨卡病毒感染）、藥物篩選和毒性測試等領(lǐng)域，尤其在無法直接研究人腦的情況下提供了寶貴的實驗平臺。其優(yōu)勢在于更接近人類生理環(huán)境，避免了傳統(tǒng)二維細胞培養(yǎng)或動物模型的種屬差異。然而，腦類器官目前仍存在局限，如缺乏血管系統(tǒng)、成熟度有限、個體間差異大以及倫理爭議（例如是否可能產(chǎn)生意識）。盡管如此，它仍是連接基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)與臨床應(yīng)用的重要橋梁，推動著精準醫(yī)學(xué)和腦科學(xué)的發(fā)展。
Fig1 腦類器官所模擬的關(guān)鍵發(fā)育過程  小頭畸形（Microcephaly） 小頭畸形是一種在胚胎期或出生后第一年內(nèi)腦發(fā)育異常導(dǎo)致腦體積顯著減小的疾病，常伴隨智力障礙和癲癇風(fēng)險。該病包括原發(fā)性小頭畸形、孕期病毒感染（如寨卡病毒）所致小頭畸形以及其他綜合征相關(guān)類型（如Seckel綜合征）。 原發(fā)性小頭畸形多由調(diào)控中心體和纖毛組裝的基因發(fā)生常染色體隱性突變引起。然而，嚙齒類動物模型難以復(fù)現(xiàn)人類患者明顯的腦體積縮小特征，因此建立更貼近人類的腦類器官模型至關(guān)重要。目前，已成功構(gòu)建攜帶 CDK5RAP2、CPAP、ASPM 和 WDR62 等基因突變的先天性小頭畸形腦類器官。 Miller-Dieker綜合征（MDS） Miller-Dieker綜合征是最嚴重的經(jīng)典無腦回畸形之一，表現(xiàn)為腦體積減小、顱面畸形、智力障礙和癲癇。將MDS患者體細胞重編程為hiPSC并誘導(dǎo)成腦類器官后，發(fā)現(xiàn)其在第18天時顯著小于正常類器官。 自閉癥譜系障礙（ASD） 自閉癥譜系障礙是一種以語言障礙、社交困難和重復(fù)刻板行為為特征的腦發(fā)育障礙。研究者利用巨腦表型自閉癥患者的iPSC構(gòu)建端腦類器官，發(fā)現(xiàn)早期神經(jīng)前體細胞周期縮短，GABA能神經(jīng)元增多，導(dǎo)致興奮/抑制失衡，機制與FOXG1基因及其下游分子異常有關(guān)。 有研究利用CRISPR-Cas9技術(shù)構(gòu)建 CHD8 基因雜合缺失的iPSC并形成腦類器官，轉(zhuǎn)錄組分析顯示 CHD8 調(diào)控多個ASD相關(guān)基因（如 TCF4、AUTS2），并參與神經(jīng)發(fā)生、WNT/β-catenin信號通路及GABA神經(jīng)元分化。 唐氏綜合征（Down's Syndrome） 唐氏綜合征（21三體綜合征）是由21號染色體異常引起的智力障礙性疾病。有研究通過患者來源的腦類器官發(fā)現(xiàn)，21號染色體上的 OLIG2 基因過表達導(dǎo)致鈣結(jié)合蛋白（CR）和生長抑素（SST）陽性GABA能神經(jīng)元過度生成。 脆性X綜合征（Fragile X Syndrome, FXS） 脆性X綜合征是由X染色體上 FMR1 基因突變導(dǎo)致FMRP蛋白缺失引起的智力障礙綜合征。利用CRISPR/Cas9構(gòu)建 FMR1 基因截短的iPSC并在二維神經(jīng)培養(yǎng)和三維腦類器官中模擬FXS表型。FXS類器官體積更大，GFAP陽性膠質(zhì)細胞更多，與二維培養(yǎng)中觀察到的FMR1影響前體細胞增殖和膠質(zhì)分化一致。腦類器官模型可用于深入探索FXS的病理機制，為疾病研究和藥物篩選提供新平臺。 其他神經(jīng)發(fā)育障礙 盡管當(dāng)前的腦類器官尚無法形成復(fù)雜的大腦溝回結(jié)構(gòu)，但已有研究利用其模擬無腦回畸形等疾病的特征。 綜上所述，利用人腦類器官模擬神經(jīng)發(fā)育疾病早期的神經(jīng)發(fā)生、神經(jīng)元遷移、大腦皮層結(jié)構(gòu)和功能網(wǎng)絡(luò)等特征，有效彌補了二維神經(jīng)培養(yǎng)研究的不足。此外，對于小頭畸形、無腦回畸形等難以通過小鼠或其他動物模型準確研究的疾病，腦類器官能夠更真實地重現(xiàn)神經(jīng)干細胞增殖與分化的異常。因此，腦類器官已成為研究神經(jīng)發(fā)育障礙的有力工具。 腦類器官為藥物研發(fā)、篩選和安全性評估提供了極具前景的新途徑。由于其在分子和結(jié)構(gòu)上高度模擬原生腦組織，有望成為藥物篩選的關(guān)鍵模型，減少臨床試驗前所需的廣泛測試。 腦類器官還廣泛應(yīng)用于其他藥物的篩選。例如，甲基苯丙胺（METH）雖具有興奮作用，但常導(dǎo)致精神障礙、抑郁和免疫系統(tǒng)損傷。研究發(fā)現(xiàn)，暴露于METH的腦類器官中，特定細胞因子（如CXCL8）表達上調(diào)，神經(jīng)炎癥相關(guān)基因表達增加，表明腦類器官具備免疫響應(yīng)能力并可用于評估藥物誘導(dǎo)的神經(jīng)炎癥反應(yīng)。 通過構(gòu)建疾病特異性類器官模型進行藥物篩選，腦類器官技術(shù)正在取代傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｐ停瑸樾滤幯邪l(fā)提供更貼近人類生理的平臺。 腦類器官的當(dāng)前優(yōu)勢、局限與未來展望： 相比動物模型，源自人iPSC的腦類器官在遺傳背景和結(jié)構(gòu)特征上更貼近人類大腦。對于由多基因突變或大規(guī)模結(jié)構(gòu)變異引起的神經(jīng)發(fā)育疾病，動物模型難以準確模擬，而利用患者體細胞重編程為iPSC并分化為腦類器官，則可建立精準的疾病模型。已有研究利用類器官揭示了基因缺陷導(dǎo)致的先天性腦發(fā)育畸形，并通過檢測類器官中的原始微環(huán)路和自發(fā)神經(jīng)活動，模擬與腦發(fā)育相關(guān)的功能障礙。此外，腦類器官易于獲取且可規(guī)?；囵B(yǎng)，克服了人腦組織（尤其是胚胎組織）來源稀缺的難題。相比其他動物模型，類器官更能揭示人類特有的腦發(fā)育與進化特征。綜上所述，腦類器官能有效模擬發(fā)育中的人腦組織，已成為研究腦發(fā)育、進化及神經(jīng)系統(tǒng)疾病的重要工具。 盡管多能干細胞來源的三維腦類器官技術(shù)在腦發(fā)育與神經(jīng)疾病建模、細胞分裂機制研究、皮層前體細胞擴增及藥物篩選等方面取得了顯著進展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。 首先，腦類器官并非真正意義上的“人腦”，無法完全自組織成與人類大腦一致的形態(tài)和功能分區(qū)。其次，大腦成熟過程（尤其是后期發(fā)育）高度依賴腦室下區(qū)（SVZ）的血管化，而類器官缺乏血管系統(tǒng)，導(dǎo)致中心區(qū)域常因缺氧和營養(yǎng)不足而壞死，影響神經(jīng)元遷移和功能成熟。盡管類器官能形成功能性突觸連接，但尚無法建立完整的神經(jīng)環(huán)路。 未來應(yīng)致力于改進類器官培養(yǎng)體系，隨著神經(jīng)科學(xué)、干細胞生物學(xué)、神經(jīng)病學(xué)、生物工程和生物材料等多學(xué)科的協(xié)同發(fā)展，腦類器官的結(jié)構(gòu)與功能將更加接近真實人腦，從而更精確地模擬人類腦發(fā)育與神經(jīng)系統(tǒng)疾病，推動精準醫(yī)學(xué)和腦科學(xué)研究的深入發(fā)展。      |
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