柴鸥类器官研究进展之五——类脑（下）-中科院再生医学 柴鸥导语在上期（类器官研究进展之五——类脑（上））中，作者主要介绍了类脑器官的发现、发展以及其在脑发育过程模拟中的应用。本期，我们将继续向大家介绍类脑技术在脑疾病模拟中的应用，以及类脑技术的挑战与未来。类脑技术的应用第二部分：脑疾病的模拟利用动物模型研究神经发育疾病目前非常普遍，但由于物种差异会造成病程、细胞结构、细胞组成和基因背景的差异。动物模型对于一些单基因疾病，可以通过敲除某个基因而实现模拟，但对于谱系性自闭症、精神分裂症等多基因疾病

柴鸥类器官研究进展之五——类脑（下）-中科院再生医学

柴鸥导语
在上期（类器官研究进展之五——类脑（上））中，作者主要介绍了类脑器官的发现、发展以及其在脑发育过程模拟中的应用。本期，我们将继续向大家介绍类脑技术在脑疾病模拟中的应用，以及类脑技术的挑战与未来。
类脑技术的应用第二部分：脑疾病的模拟
利用动物模型研究神经发育疾病目前非常普遍，但由于物种差异会造成病程、细胞结构、细胞组成和基因背景的差异。动物模型对于一些单基因疾病，可以通过敲除某个基因而实现模拟，但对于谱系性自闭症、精神分裂症等多基因疾病，是很难通过动物模型进行模拟的。
利用类脑技术，在体外研究人类的脑疾病，具有很多优势：首先，提供了三维多细胞的细胞微环境；其次，活细胞的体系对于电生理和细胞行为的动态变化都易于观察；更重要的，利用iPS和基因编辑技术，可以将病人的细胞诱导获得多能干细胞形成类脑组织，并进行精准的基因水平修复。目前，科学家们正利用类脑技术在多种脑疾病研究中进行尝试。 一、神经发育失调模型
由于类脑的发育还限于胚胎早期和中期，适合于一些在神经发育早期疾病的模拟。以CDK5RAP2基因突变的小头症患者的多能干细胞形成的类脑，可检测到增殖的前体细胞数量减少和神经分化的早熟1。
另一种严重的先天性无脑回疾病----Miller-Dieker综合症是染色体缺失疾病。这种疾病的小鼠模型已经存在，虽然相应染色体缺失的小鼠也显示出神经上皮干细胞有丝分裂纺锤体失调和神经迁移缺失的现象，然而鼠脑并没有沟回，并不是非常适合的动物模型。利用Miller-Dieker综合症患者的多能干细胞制备的类脑组织，在研究中除了观察到小鼠模型中的类似现象以外，还发现室管膜样区域内神经上皮干细胞的严重凋亡、oRG细胞的有丝分裂缺失以及WNT信号的非自主缺失2。
前两年爆发的寨卡病毒也显示了类脑技术的应用潜力。2016年初，尽管寨卡的流行与先天性小头症已显现出联系，但还没有寨卡病毒感染引起出生缺陷的直接证据。利用类脑组织的研究发现，寨卡病毒对神经前体细胞具有特异的感染性，并进而造成神经前体细胞的减少3。

图1 正常人诱导性多能干细胞来源的类脑组织在感染了寨卡病毒后，形成的类脑组织（右图）要明显的小于正常类脑（左图）
在模拟脑发育的应用部分，我们提到类脑组织的细胞组成与脑组织相比有一定的缺失。在寨卡病毒的研究中，类脑组织的结果4与脑片培养5的研究结果相比产生了偏差。在类脑研究中寨卡病毒病毒很少感染星型细胞，而脑片研究这一现象则非常普遍。同时，利用脑片研究科学家还发现，小胶质细胞可能是寨卡病毒最倾向于感染的细胞，然而由于类脑组织中并没有小胶质细胞而无法发现这一重要现象。寨卡病毒与小脑症的研究，既展示了类脑技术在体外研究中的优势，也暴露了其尚不完善的缺点。 二、精神障碍疾病模型
目前已有利用二维的多能干细胞体系研究精神障碍疾病发病机制的尝试，包括精神分裂症、躁郁症和rett综合症。类脑组织模型与二维培养相比，结构更为复杂。最近，科学家利用自闭症患者的细胞获得的类前脑组织发现其FOXG1表达失调、细胞周期进程加速以及GABA能神经元增多6。
类脑技术还被用在Timothy综合症的研究中，利用病人的多能干细胞分别形成腹侧和背侧类前脑，在二者融合构建中间神经元迁移模型中，科学家发现病人的中间神经元丧失了自发迁移的能力7。
由于上述精神障碍疾病其致病机制和细胞表型的研究尚不深入，因此只有在更多的实验室获得更多可重复的实验结果的情况下，才能说明在类脑组织中发现的现象与该疾病具有相关性。同时，很多的精神疾病表现为出生以后的神经系统发育障碍，由于类脑成熟的限制我们必须要考虑病人来源的类脑组织其表现出来的异常特征与所研究疾病的关系。 三、神经退行性疾病模型
由于神经退行性疾病多发生在人类生命的晚期，类脑的成熟度让我们不敢确定利用其研究神经性疾病的准确性。然而，在关于阿尔兹海默症的研究中却发现了一些有趣的结果。目前关于阿尔兹海默症发生机制的淀粉肽假说指出，发病时可见β-淀粉肽的过量积累、超磷酸化的tau蛋白的聚集以及神经纤维缠结。
在使用多位家族性阿尔兹海默症患者的细胞制备的类脑组织中，发现了阿尔兹海默症的病理现象，包括淀粉肽的聚集、tau蛋白的超磷酸化等8。然而这些现象在基因突变的小鼠模型中并没有发现。在阿尔兹海默症的治疗药物研发中，一些药物在动物模型中获得了很好的治疗效果，但在三期临床试验中却发现无法有效的治疗患者精神意识的丧失9, 10。这提示了在药物的治疗疾病的动物实验和临床试验之间，可以利用类脑组织对药物的有效性进行进一步的筛选。
虽然类脑组织在细胞结构和细胞组成方面尚未达到完全模拟人类脑组织的复杂程度，但一些与疾病紧密相关的病理现象可以被类脑组织呈现，对验证药物的有效性具有一定帮助。
类脑技术的挑战
类脑技术为解决体外研究人类脑发育提供了新的技术模型和平台，前文列举的类脑技术在脑发育及脑疾病模拟中的应用，证明了其应用潜力。然而，类脑技术还处于兴起和发展阶段，应用中出现的问题也是科学家们完善类脑技术的巨大动力。
1、细胞类型的缺失
作为致力于模拟脑结构的体外培养组织，类脑组织中神经细胞的类型虽较为全面，但人类的脑组织中还有提供养分的血管内皮细胞以及发挥免疫功能的小胶质细胞。而这些细胞类型在目前的类脑组织中尚没有发现。形成髓鞘的少突胶质细胞其前体（少突前体细胞）在大多数的类脑组织中也并不常见。
2、发育成熟度还需加强
这是类脑技术发展至今最为重要的一个问题。类脑技术目前可以较好的模拟早期和中期胚胎脑发育的过程，但对胚胎发育晚期及出生后脑发育的模拟，类脑技术还很难做到。这一点很大程度上制约了类脑技术应用于神经回路的研究，因为大部分的神经回路是在出生后形成的。
类脑技术的未来
从上面列举的类脑技术的应用，我们看到类脑技术在神经分化、发育自组织和神经特定结构的模拟的优势，显示了其在大脑发育机制和神经疾病病理研究方面极大的应用潜力。
然而，研究的过程中，科学家们也发现了类脑技术目前成熟缓慢、细胞类型缺失等问题。不断的发现问题和修正问题将进一步推动类脑技术的改进和更新。对类脑组织制备技术的改进也将着眼于提高类脑组织与神经组织在结构、细胞组成等各方面的相似度，加速类脑组织在体外的发育速度，并进一步做到发育过程的可控。
类脑技术的进步将会推动其应用进一步扩展，应用于更多神经发育过程的研究，并有望在神经疾病治疗药物研发中填补动物实验和临床试验之间的物种鸿沟11。
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类器官研究进展之五——类脑（上）
编辑：李佳音

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