综述：脑类器官：研究人类神经精神疾病的新范式

本综述系统阐述了脑类器官技术在神经精神疾病研究中的突破性进展。作为基于诱导多能干细胞(iPSC)的三维模型，脑类器官能精准模拟人脑发育过程及疾病表型，为神经发育障碍(如自闭症谱系障碍ASD、小头畸形)、神经退行性疾病(如阿尔茨海默病AD、帕金森病PD)和精神疾病(如精神分裂症SCZ、抑郁症)的研究提供了全新范式。文章重点探讨了各类器官模型的构建策略(如组装体、血管化模型)及其在揭示致病机制、药物筛选方面的应用，同时分析了当前技术瓶颈与未来发展方向。

1 引言

人脑作为生物系统中结构和功能最复杂的器官，其研究长期受限于样本获取难度和伦理约束。传统二维细胞模型和动物模型在模拟人脑三维空间结构、复杂细胞网络及动态微环境方面存在明显不足。脑类器官技术的出现突破了这些限制，这种基于诱导多能干细胞(iPSC)的三维自组织培养模型，能够高度模拟人脑发育的关键特征，生成包括神经元和胶质细胞在内的多种细胞类型。

2013年，Jürgen Knoblich和Madeline Lancaster团队首次成功将iPSCs分化为功能性脑类器官。该模型包含类似前脑、脉络丛、海马体和前额叶皮层的互连功能单元。随后，通过组合不同小分子和生长因子，研究人员成功构建了大脑皮层、基底节、下丘脑、中脑、小脑、脊髓和纹状体等多种脑区特异性类器官模型。

近年来，多种优化方案被开发以提升脑类器官的可重复性和区域特异性。例如，Pasca实验室利用外源性形态发生素精确生成背侧或腹侧前脑特性的区域特异性类器官；Hendriks等人开发了直接源自人胎儿脑组织的脑类器官(FeBOs)；Ramani团队开发的"Hi-Q脑类器官"培养方法，通过定制未涂层微板精确控制神经球大小，实现了每批次数百个高质量类器官的生成。为研究不同脑区间的相互作用，科学家进一步开发了"组装体"技术，通过组合不同脑区类器官模拟更复杂的神经发育过程。

2 神经发育障碍

神经发育障碍(NDDs)是一类由神经发育过程异常导致的疾病，包括自闭症谱系障碍(ASD)、小头畸形等。脑类器官因其人类基因组来源，能够忠实再现由遗传或环境因素触发的疾病表型。

2.1 自闭症谱系障碍

ASD是最常见的神经发育障碍，具有显著的遗传和表型异质性。研究显示，超过1000个基因与其病因相关。通过ASD患者iPSCs构建的大脑皮层类器官发现，患者类器官体积显著增大，且与社交障碍严重程度正相关。机制研究表明，这种异常生长与转录因子FOXG1过表达相关，其上调直接导致GABA能中间神经元异常增殖。Han等人实验观察到ASD与FABP7/MEK通路异常激活导致的神经干细胞过早分化相关。Li Chong团队开发的CHOOSE系统实现了36个ASD高风险基因在脑类器官模型中的并行编辑和功能评估，建立了首个跨越神经发育的ASD基因型-表型图谱。

2.2 小头畸形

小头畸形是常见的儿科神经发育障碍，特征为脑体积显著减小。其发病涉及多个关键基因，包括CDK5RAP2、CPAP、KATNB1、天冬氨酰-tRNA合成酶1(NARS1)、ASPM、IER3IP1、KNL1、PTEN和WDR62等。在脑类器官模型中，CDK5RAP2和WDR62基因敲除导致神经祖细胞(NPCs)过早分化、纺锤体定向错误和对称分裂平衡破坏。IER3IP1敲除类器官中，内质网(ER)应激和未折叠蛋白反应(UPR)通路过度激活，导致ER形态和功能破坏。此外，脑类器官模型还能有效模拟寨卡病毒感染导致小头畸形的病理机制。

3 神经退行性疾病

神经退行性疾病(NDD)主要包括阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)等。衰老、遗传因素、异常蛋白聚集和程序性细胞死亡失调是其主要原因。

3.1 阿尔茨海默病

AD是发病率最高的神经退行性疾病，特征为β淀粉样蛋白(Aβ)寡聚化形成淀粉样斑块，以及tau蛋白过度磷酸化形成神经纤维缠结。利用iPSCs衍生的脑类器官模型，研究人员成功再现了AD相关特征。载脂蛋白E4(APOE4)是散发性AD的最强遗传风险因素，可能通过干扰少突胶质细胞胆固醇代谢破坏髓鞘形成。脑类器官组装体通过整合不同脑区类器官，能够模拟AD中tau蛋白的传播。最近研究通过CRISPR-Cas9基因编辑将家族性淀粉样前体蛋白突变体(APPNL-G-F)整合到人胚胎干细胞中，生成再现AD病理的类器官，发现罕见纯合APOE3突变(APOE3ch)可能是AD的保护因素。

3.2 帕金森病

PD是最常见的运动障碍，特征为α-突触核蛋白(α-syn)异常聚集形成路易体和黑质(SN)多巴胺能神经元选择性丢失。SNCA、PARK2、PINK1和LRRK2等基因突变与PD风险密切相关。Wulansari等人将突变DNAJC6基因导入人中脑类器官，成功建立PD体外模型，再现了多个关键病理特征。在LRRK2-G2019S突变中脑类器官中，观察到α-突触核蛋白聚集触发异常线粒体自噬并伴随神经发育缺陷。DJ1相关PD模型研究表明，异常蛋白糖基化和广泛蛋白聚集构成家族性PD的基本病理。

4 精神疾病

精神疾病与神经系统疾病存在显著临床差异，通常缺乏明确神经系统病变，诊断不依赖脑成像或脑电图检查，主要包括精神分裂症(SCZ)、抑郁症等。

4.1 精神分裂症

SCZ是具有多基因遗传特征的精神障碍，病因涉及遗传易感性和环境风险因素的复杂相互作用。全基因组关联研究(GWAS)已识别100多个与SCZ显著相关的常见单核苷酸多态性(SNPs)位点。研究表明，产前应激、胎儿维生素D缺乏和母体免疫激活异常是SCZ发病的风险因素。这些风险因素可能通过共同的病理生理途径：脑血管内皮细胞功能和血脑屏障完整性的发育异常。Shin等在丘脑类器官中发现22q11.2微缺失上调丘脑神经元FOX2基因表达，导致轴突过度生长。患者来源多能干细胞构建的脑类器官直接证明了SCZ中功能性神经网络缺陷，表现为突触形成和传输异常，导致GABA能驱动增强。另一研究发现，人前脑类器官中酰基辅酶A羧化酶(PCCB)β亚基敲除抑制三羧酸循环，导致GABA水平降低和SCZ风险增加。

4.2 抑郁症

抑郁症是全球 prevalent 的精神障碍，典型表现为持续快感缺乏、睡眠节律紊乱和认知功能受损。其发病机制涉及多种生物学异常，包括神经递质功能障碍、神经环路可塑性改变、下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴应激反应失调和促炎细胞因子介导的神经免疫异常。抑郁症患者腹侧前脑类器官显示GABA能中间神经元异常，表现为树突复杂性降低、动作电位发放模式改变和钙活性降低。调节HTR2C基因表达或应用5-HT2C受体激动剂可有效逆转异常神经元活动。Gong等人利用脑类器官揭示WFS1特异性敲除加剧高脂饮食诱导的肥胖和抑郁样行为，而靶向该信号通路的药物利鲁唑可逆转这些异常。另一研究发现环状RNA circFKBP8(5S,6)具有蛋白编码功能，其表达产物通过调节糖皮质激素受体核质转运发挥抗抑郁作用。

5 总结与展望

脑类器官技术的最新进展使科学家能够在体外更精确地解读人脑发育规律和神经系统疾病病理机制。其高度"人源化"特性为中枢神经系统对外部损伤因素和病理刺激的响应机制提供了更精确的模拟。在药物发现方面，这些类器官支持大规模自动化筛选，通过构建特定遗传背景或疾病表型的定制模型，系统评估候选药物的疗效和毒理学特性。

然而，现有体外培养系统仍面临几个关键限制：类器官规模和复杂性有限，无法模拟全身整合环境；多数模型捕获早期发育阶段，但缺乏成人脑组织成熟度；不同批次间存在显著变异；缺乏功能性血管系统限制营养输送并阻碍神经血管相互作用研究；功能性胶质细胞群缺陷；伦理关切和应用安全性问题亟待解决。未来研究方向应包括延长培养时间结合成熟促进因子、电刺激和移植方法，通过单细胞RNA测序和电生理分析实施质量控制基准，创建血管化类器官，优化与预分化胶质细胞的共培养系统。随着该领域的持续进步，脑类器官有望在破译神经功能密码和开发神经系统疾病有效治疗方法方面发挥越来越关键的作用。