脑类器官
源自人类多能干细胞(hPSC)的人类脑类器官，概括了早期人类大脑神经发育的特征，包括神经祖细胞的生成、增殖和分化为神经元，胶质细胞，以及发育中的大脑不同类型新生细胞之间的复杂相互作用。脑类器官主要由神经谱系细胞组成，如神经干细胞、神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞。
1、人类脑类器官的研究现状及进展
人类的神经发育主要发生在胚胎期、胎儿期和新生儿阶段，并分化成人类神经系统的各种神经细胞类型。由于大脑的复杂性，人类胚胎和胎儿组织的缺乏，以及相关的伦理问题，使得研究人类神经发育疾病工作极具挑战。为了更深入地了解人脑的发育和病变，我们需要建立人脑的实验模型。但这一问题直到2013年Lancaster等人建立了第一个模拟人脑3D结构的人脑类器官，才取得重大突破[1]。脑类器官培养技术的出现，为突破活体脑初始阶段的实验提供了一条非常光明的道路。
科学家们已经成功培育出脑类器官，但未能成功研发出类似于人脑的神经网络。Cleber A,Trujillo 等人设计出一种更好的方法来培养人类干细胞，以诱导大脑外层神经元的形成[3]。他们发现，随着发育的进展，从人类干细胞生长的脑类器官产生的脑电波变得更加复杂，并在微型大脑中形成了功能性神经回路 。这些脑电波在人类婴儿的大脑发育过程中具有某些共同特征。该团队旨在进一步改进类器官，并使用它们来了解与神经网络相关的疾病，例如自闭症、癫痫和精神分裂症。In-Hyun Park 和他的同事找到了一种方法来突破人脑类器官中缺少血管网络的问题。他们通过将转录因子 ETV2 在人类皮质类器官 (hCO) 中的异位表达，成功地在脑类器官中形成了复杂的功能性血管网络 [4]。他们还表明，血管化的 hCOs (VhCOs) 分化为更复杂的结构，并且神经元更成熟。也是首次发现了与这些VhCOs结构相似的血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）。
尽管人脑类器官确实在体外部分产生了人脑结构，但每一种都是独一无二的，并且它们受到类器官间高变异性的困扰 [5,6]。这意味着它们不能轻易用于比较患病和正常脑组织之间的差异。这也引发了人们对人类大脑的发育过程是否可以在胚胎发生的背景下以与内源性组织相当的可重复性程度发生的怀疑。Silvia Velasco等人使用干细胞的特定组合，以相同的发育顺序和组织结构连续生长多个人脑类器官[7]。这些培养出来的类器官具有相同的细胞组成和基本连接，能够在体外培养环境中长期存活，并分化成构成大脑皮层的多种细胞类型，使得研究人员可以将这些类器官用于比较实验研究和药物筛选。
图1. 人类脑类器官
图片来源：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcell.2020.590119/full
2、脑类器官的应用
人类脑类器官可用于研究大脑发育过程和神经系统疾病以及神经再生功能。
SARS-CoV-2 主要攻击呼吸系统，但一些感染者会出现一些与神经系统相关的症状，包括头痛、嗅觉丧失、嗅觉障碍、意识模糊、癫痫和脑病。然而，没有直接的实验证据表明 SARS-CoV-2 会感染人类中枢神经系统 (CNS)。为了在生理相关模型中探索 SARS-CoV-2 在中枢神经系统中的直接参与关系，张宝中和他的团队评估了 SARS-CoV-2 感染人类神经祖细胞 (hNPCs)、神经球和诱导多能干细胞中 (iPSC) 衍生的脑类器官 [8]。结果表明，iPSC 诱导的 hNPCs 对 SARS-CoV-2 感染呈现开放状态。在感染 SARS-CoV-2 的神经球和脑类器官中检测到广泛的蛋白质表达和传染性病毒颗粒，表明 SARS-CoV-2 可以有效地感染人脑。这项研究提供了人类大脑类器官中直接感染 SARS-CoV-2 的第一个证据，这可以帮助专家了解 COVID-19 神经系统并发症的发病机制。
Jay Gopalakrishnan 的团队通过修改将 iPSC 转化为神经组织的培养条件，成功地在大脑类器官中诱导出双边对称的视杯，并发现这种结构可以感知光，同时向其他区域的大脑发送信号 [9]。当这些类器官生长50-60天后，原来的“眼睛”发育成一两个成熟的可见视泡结构，称为视泡脑类器官（OVB-organoids）。这些 OVB 类器官目前只能存活 60 天。这项研究首先在功能上将视网膜结构整合到大脑类器官中，在体外系统中再现神经纤维从视网膜神经节向外延伸以连接大脑的目标区域。该系统可以帮助研究胚胎发育过程中的“脑-眼”相互作用，为视网膜疾病的探索和治疗提供有力的工具，为无数视网膜疾病患者的治愈带来希望。
人脑类器官是大脑的原始形式，但它不是真正的大脑，它只是为研究而制作的简化模型。到目前为止，还没有在实验室中发现人脑类器官具有意识，大脑类器官不能重述行为或指示特定行为模式涉及哪些细胞类型。类器官只能弥补动物模型而不是替代它们。类器官可以做的是让研究人员能够更具体地进行动物实验，或者更快速地从动物实验中获得结果，并以更有针对性的方式快速传递给患者。通过类脑器官的研究，我们对遗传学有了更深入的了解，脑类器官研究每向前迈进一步，就有可能在更多疾病领域取得突破，将生理和病理关联转化为因果关系。
3、脑类疾病研究相关靶点
参考文献：
[1] Lancaster MA, Renner M, Martin CA, et al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly [J]. Nature. 2013;501(7467):373-379.
[2] Qian Yang, Yan Hong, et al. What Makes Organoids Good Models of Human Neurogenesis [J]? Front. Neurosci., 14 April 2022.
[3] Cleber A. Trujillo, Richard Gao, et al. Complex Oscillatory Waves Emerging from Cortical Organoids Model Early Human Brain Network Development [J]. Cell Stem Cell. 2019 Oct 3; 25(4): 558–569.e7.
[4] Cakir, B., Xiang, Y., Tanaka, Y. et al. Engineering of human brain organoids with a functional vascular-like system [J]. Nat Methods 16, 1169–1175 (2019).
[5] Quadrato, G., Brown, J. & Arlotta, P. The promises and challenges of human brain organoids as models of neuropsychiatric disease [J]. Nat. Med. 22, 1220–1228 (2016).
[6] Quadrato, G. et al. Cell diversity and network dynamics in photosensitive human brain organoids. Nature 545, 48–53 (2017).
[7] Velasco, S., Kedaigle, A.J., Simmons, S.K. et al. Individual brain organoids reproducibly form cell diversity of the human cerebral cortex [J]. Nature 570, 523–527 (2019).
[8] Bao-Zhong Zhang, Hin Chu, et al. SARS-CoV-2 infects human neural progenitor cells and brain organoids [J]. Cell Res. 2020 Oct; 30(10): 928–931.
[9] Elke Gabriel, Walid Albanna, Jay Gopalakrishnan, et al. Human brain organoids assemble functionally integrated bilateral optic vesicles [J]. Cell Stem Cell 28 (10): 1740-1757.e8, 2021.
