【顶刊学习IF=113.3】脑类器官研究核心技术路线与研究思路启发！

脑类器官的核心价值：

①人源多能干细胞（iPSC/ESC）自组装形成3D人脑结构，可模拟胚胎-胎儿期皮层发育。

②能做进化、发育疾病、感染、药物筛选四大方向研究，是目前最接近人脑的体外模型。

③可实现患者特异性建模、基因编辑、高通量筛选。

脑类器官=体外迷你人脑+可操控、可重复、可高通量的神经发育与疾病研究平台。

a.对不同模型系统复刻人脑细胞类型多样性、祖细胞与有丝分裂后子代的空间分离、疾病相关基因的功能筛选、治疗药物的高通量筛选能力进行评估。评分标准中，叉号代表该特征的复刻程度极低，单对勾代表中等复刻程度，双对勾代表高复刻程度。

b.人脑的分层结构，包括脑室区（VZ）、中间区（IZ）、内侧脑室下区（ISVZ）、外侧脑室下区（OSVZ）、亚板（SP）与皮层的6个分层（I-VI层）。

c.人诱导多能干细胞来源的皮层类器官中，皮层细胞类型以假分层结构有序排列。

d.2月龄人多能干细胞来源皮层类器官中，皮层命运的祖细胞通过TBR2标记，深层神经元（CTIP2）与浅层神经元（SATB2）可视化成像，显示出这些细胞类型的假分层结构。

1.非引导式（Minimallyguided）

不加外源形态发生素，靠细胞自组装，一个类器官里能长出多个脑区（皮层、海马、中脑等）。

优点：高度模拟体内自组织；缺点：批次差异大，不均一。

2.引导式（Guided）

用双SMAD抑制+WNT抑制定向诱导成单一脑区（如皮层、丘脑、中脑）。

优点：重复性高、细胞成分均一，适合疾病建模与筛选；缺点：人工干预强。

建议：优先做引导式皮层类器官，最稳定、发文最成熟。

3.模型制备核心

①拟胚体（EB）形成→神经诱导→基质胶（Matrigel）包埋→振荡培养→长期成熟培养

②关键控制点：细胞接种密度、ROCK抑制剂使用、培养基更换节奏、氧浓度。

③常见问题：坏死、腔室不形成、分化不纯→根源多在EB质量与神经诱导时机。

4.受体内脑发育启发的脑类器官制备方案示意图

a.人神经系统发育的关键阶段与过程。外胚层形成神经板（神经诱导）后，神经板折叠形成神经管，随后神经管分化为前脑、中脑与后脑（神经胚形成与区域化）。随着神经元（神经发生）与神经胶质细胞（胶质发生）的生成，细胞发生成熟过程，形成细胞构筑结构（神经元迁移），并进一步成熟（轴突导向、突触发生、髓鞘形成与突触修剪），最终实现神经系统的正常发育。在该过程中，关键形态发生素相互作用并形成梯度，建立复杂的基因表达模式，在整个神经系统发育过程中，引导细胞命运决定与形态发生。

b.胚胎干细胞（ESCs）、诱导多能干细胞（iPSCs）或人胎儿组织干细胞（TSCs），首先被组装为三维球体或拟胚体，其可自组装形成神经外胚层结构。

非引导性方案中，多能干细胞聚集为拟胚体，不添加用于诱导特定脑区身份的生长因子，最终形成的类器官包含不同脑区身份的组织。

引导性方案旨在生成特定的区域身份，提升细胞类型的一致性。该类方案通常会抑制SMAD通路，最常使用双SMAD抑制策略，通过小分子抑制剂靶向TGFβI型受体与BMPs；同时在类器官制备的早期阶段抑制WNT信号。

方向1：灵长类脑进化研究（基础生物学顶刊最爱）

核心问题：人脑为什么更大、更复杂？

研究路径：人vs黑猩猩/大猩猩/猕猴→类器官对比→找细胞行为差异

（神经发生速度、细胞周期、祖细胞形态、基因表达）；

关键基因：ARHGAP11B、NOTCH2NL、ZEB2、HARs；

结论：人类神经上皮细胞形态转变更慢→祖细胞池更大→神经元更多。

方向2：神经发育与精神疾病建模覆盖几乎所有热门疾病：

皮层畸形：小头畸形、巨头畸形、无脑回、室管膜下异位；

神经发育病：Rett综合征、脆性X、天使综合征、Timothy综合征

孤独症（ASD）、精神分裂症、双相情感障碍。

研究路径：患者iPSC→类器官→表型（增殖/迁移/成熟/电生理）→机制→药物筛选。

利用皮层类器官模拟人脑疾病的研究示例

方向3：神经系统感染疾病研究（速度快、易出结果）

经典模型：寨卡病毒、新冠病毒、CMV、HSV-1、HIV、朊病毒；

已有的相关研究发现：病毒优先感染神经祖细胞、脉络丛、胶质细胞→导致小头畸形/发育异常；

应用：快速筛选抗病毒药物、验证保护机制。

利用皮层类器官模拟脑部感染性疾病的里程碑及最新研究

提升当前人脑类器官培养的生理相关性，无偏倚解析细胞复杂性

左图：多学科技术整合，用于优化脑类器官的制备；右图：类器官的表征技术。

①细胞多样性提升：整合内皮细胞、小胶质细胞等非外胚层细胞类型，可增强类器官的细胞多样性；融合皮层、内侧神经节隆起（MGE）、纹状体、丘脑、后脑/脊髓等多个区域特异性类器官，可构建被称为组装类器官的培养体系，实现不同脑区或器官系统的对比研究。

②结构/解剖/细胞构筑优化：采用单神经花环类器官制备方案、工程化形态发生素递送，以及微流控系统培养，可引导不同区域特异性类器官之间的长距离连接形成，从而改善脑类器官的结构、解剖与细胞构筑。

③成熟度提升：通过优化培养基成分、脑类器官移植，或对长期培养的类器官进行切片培养，可提升类器官的成熟度。

④单细胞水平的细胞与分子分析：ATAC-seq、单细胞RNA测序、Patch-seq与谱系示踪技术，可对类器官的细胞与分子谱进行表征。

⑤成像分析：迭代间接免疫荧光成像（4i）、4D光片显微镜与空间转录组学等成像技术，可提供类器官中不同细胞类型的空间信息；谱系示踪技术可同时提供空间信息与谱系树轨迹。

⑥功能分析：膜片钳、钙成像与多电极阵列（MEA）技术，可用于脑类器官成熟度的功能评估。

脑类器官已被证实，可深化我们对进化、神经发育障碍与感染性疾病的理解，有望解决动物模型无法回答的科学问题。图中展示了部分关键研究发现，这些发现为人类大脑扩张的潜在机制（上）、神经元分化及相关疾病（中）、寨卡病毒感染的影响（下）提供了全新见解。

未来的优化方向，可能还将聚焦于通过多种生物工程方法，提升神经元成熟度、连接性，以及不同区域身份类器官之间功能性环路的形成。构建可模拟不同脑区类器官间宏观环路的平台，还能够混合搭配不同遗传背景的类器官，从而揭示体内研究难以解析的、不同脑区的选择性易损性。