大脑类器官在神经系统疾病中的应用

1.   大脑类器官概述

大脑类器官（brain organoids）是指在体外环境中，由人类多能干细胞自发组装形成的球状拟胚体，进而分化而成的三维类器官。

这些类器官中包含的细胞类型与人脑相似，能够在分子、细胞和结构等方面模拟早期人脑的生长和发育过程，并具备与人脑相似的生理功能。

目前，全球各个实验室所培养的大脑类器官大致可以分为两类：

第一类是那些在成熟过程中未受到定向诱导的拟胚体，独立向神经外胚层分化，最终形成包含多个脑区的大脑类器官；

第二类是拟胚体在形态发生因子的作用下，朝着特定脑区进行定向分化，最终形成能够模拟特定脑区形态和功能的大脑类器官，如皮层类器官、丘脑类器官、中脑类器官和纹状体类器官等。

2.   大脑类器官在神经发育障碍性疾病中的应用

1)   孤独症谱系障碍(ASD)

自闭症谱系障碍（ASD）是一种由遗传和环境因素共同导致的疾病，目前已发现上百种与ASD相关的风险基因。

ASD患者在儿童时期常出现神经发育异常，病理解剖学研究显示，ASD患者在出生后早期其皮层体积有过度增长的趋势，但其分子机制仍不明确。

哈佛大学与麻省理工学院的研究团队合作培养了SUV420H1、ARID1B和CHD8基因突变的皮层类脑器官，这三种基因突变与ASD患者的头部体积异常相关。

通过对这三种类脑器官进行单细胞转录组测序，研究发现抑制性神经元的比例显著增加。

这表明虽然不同的ASD相关基因突变可能导致不同的临床症状，但这些基因可能通过相似的机制引发共同的病理改变，如巨头畸形的发生。

2)   小头畸形

小头畸形是指患者的头部尺寸相较于正常人更小，通常在出生或早期发育阶段就会显现。

目前认为，这种情况是由于怀孕期间胎儿的基因表达异常引起的，但由于胎儿在母体内，相关研究难以进行验证。

CDK5RAP2被认为是导致小头畸形的关键基因，这是人类特有的一段基因序列，因此无法通过动物模型开展相关实验。

研究团队首先从CDK5RAP2基因突变的小头畸形患者中获取皮肤纤维母细胞，随后通过重编程技术将其诱导为多能干细胞，并进一步培养诱导出大脑类器官。

研究发现，这些患者的大脑类器官在发育过程中，神经祖细胞的比例显著降低，而神经元的数量则过早增加。

小头畸形患者的大脑在发育过程中过早进入了分化阶段，但神经祖细胞的数量不足。该研究为小头畸形的发生机制提供了具体的解释。

3.   大脑类器官在神经退行性疾病中的应用

1)   阿尔兹海默病(AD)

目前，全球有超过四千万名阿尔茨海默病（AD）患者，但临床上尚未找到有效的治疗方法。

这一困境主要有两个原因：

AD的病因复杂，研究表明淀粉样蛋白的沉积、神经元纤维缠结以及Tau蛋白的过度磷酸化可能是引发AD的因素；

由于人类与其他实验动物之间的基因差异，许多在动物模型上有效的药物难以转化为临床治疗，导致药物开发面临巨大挑战。

研究发现，大脑类器官在暴露于血清后，β淀粉样蛋白的水平增加，Tau蛋白的磷酸化水平升高，同时突触的缺失也随之发生。

大脑类器官还被应用于阿尔茨海默病药物的筛选，成为研究这一疾病的重要工具。

4)   帕金森病(PD)

帕金森病（PD）是一种神经退行性疾病，其主要特征是中脑及黑质区域的多巴胺能神经元不断缺失。

实验研究发现，在具有DNAJC6突变的中脑类器官中，出现了明显的PD病理特征，包括多巴胺能神经元的降解、α-突触核蛋白的聚集、神经元放电频率的增加以及线粒体溶酶体功能的障碍。

实验结果表明，DNAJC6缺失损害了WNT-LMX1A信号通路，从而进一步导致了病理变化。

中脑类器官不仅用于探讨PD的病理机制，研究人员还将其应用于PD的治疗研究。

4.   物质成瘾

1)   酒精依赖

孕期母体摄入酒精会对胎儿发育产生负面影响，可能导致胎儿酒精综合征，且胎儿在9至10岁时可能出现认知功能障碍和神经系统疾病。

随着大脑类器官技术的发展，人们对这一现象背后的机制有了更深入的理解。

研究团队发现了孕期酒精摄入影响胎儿发育的新机制。

他们将人类多能干细胞诱导为皮层类脑器官，并使其暴露于酒精。

实验表明，酒精导致与神经系统发育相关的基因表达发生变化，破坏皮层类脑器官的线粒体结构和功能，最终引发细胞凋亡。

2)   可卡因成瘾

胎儿出生前暴露于可卡因会对其大脑皮层发育产生影响。尽管动物实验已经取得了一些研究成果，但其具体的分子机制仍不明确。

通过从人类多能干细胞诱导出皮层类脑器官，研究团队发现了可卡因影响大脑发育的作用靶点CYP3A5。

敲低CYP3A5能够逆转可卡因对大脑发育的负面影响，这为未来通过作用于该靶点来缓解产前可卡因暴露对神经发育造成的损害提供了新的可能性。

3)   大麻成瘾

大麻中含有多种成分，其中四氢大麻酚（THC）是主要引起成瘾作用的成分。

研究发现，皮层类脑器官暴露于THC后，会抑制神经干细胞的成熟分化，并降低内源性大麻素受体1的水平，从而抑制轴突的生长。

此外，另一项单细胞测序研究显示，在内源性大麻素受体激动剂WIN55,212-2作用7天后，大脑类器官中断裂的DNA显著增加，内源性大麻素受体的激活会导致大脑类器官的凋亡，进而影响神经元的数量。

4)   甲基苯丙胺

已有研究表明，甲基苯丙胺会影响人的认知功能，导致神经毒性反应，并且阻碍大脑的发育。

尽管关于前两方面的问题已有一定研究基础，但对于甲基苯丙胺如何影响脑发育的机制仍不够明确。

通过结合大脑类器官技术与单细胞转录组测序技术，研究团队探索了甲基苯丙胺对产前大脑发育的影响。

差异基因分析结果显示，在甲基苯丙胺暴露组中，调节神经干细胞增殖和神经细胞分化的基因显著下调，而与炎症及氧化应激相关的基因则显著上调。

​产前甲基苯丙胺暴露可能通过调节神经细胞的增殖与分化来阻碍大脑发育，并伴随神经炎症的产生。