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編者按
近年來，神經(jīng)性系統(tǒng)疾病的發(fā)病率在全球范圍內(nèi)呈顯著上升趨勢。2024年The Lancet Neurology （柳葉刀神經(jīng)病學(xué)）雜志發(fā)布的最新研究顯示，神經(jīng)系統(tǒng)類疾病已成為全球頭號病因，2021年全球神經(jīng)系統(tǒng)疾病影響了34億人，占全球人口的 43.1%，其中1100萬人因神經(jīng)系統(tǒng)疾病而死亡。特別是新生兒腦病、中風(fēng)和偏頭痛等病種，對全球健康損失的影響尤為突出。
盡管腦類器官技術(shù)作為世界科技前沿技術(shù)，為多種腦疾病基礎(chǔ)研究及臨床應(yīng)用提供了重要支撐，但傳統(tǒng)腦類器官模型存在明顯的局限性，如大多數(shù)只能模擬皮層等單一腦區(qū)，且使用的內(nèi)皮系統(tǒng)多為HUVECs等簡單的細(xì)胞類型，無法模擬真實的神經(jīng)-血管相互作用，阻礙了全面理解不同腦區(qū)之間的相互作用。
7月8日，約翰斯·霍普金斯大學(xué)（QS排名第24位）研究團(tuán)隊在《Advanced Science》發(fā)表最新研究，構(gòu)建了全球首個高度模擬胎兒大腦的多區(qū)域腦類器官（MRBOs） 模型，創(chuàng)新性地融合大腦皮層、中后腦等多腦區(qū)與復(fù)雜內(nèi)皮系統(tǒng)，在細(xì)胞類型、轉(zhuǎn)錄組及功能層面驗證了其可靠性，并揭示了內(nèi)皮細(xì)胞在中后腦發(fā)育中的區(qū)域特異性作用，為理解神經(jīng)-血管相互作用提供了全新視角，具有重要的基礎(chǔ)研究與轉(zhuǎn)化應(yīng)用價值。
本研究中，研究人員將三種獨立的類器官，即大腦皮層類器官、中后腦類器官和內(nèi)皮類器官融合成一個統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，開發(fā)了多區(qū)域腦類器官（MRBOs） 新模型（產(chǎn)品上新丨環(huán)特hiPSC誘導(dǎo)分化腦類器官培養(yǎng)試劑盒），更好地模擬人胎兒大腦發(fā)育過程中的區(qū)域特異性與神經(jīng)-血管相互作用。
01、研究亮點
開發(fā)了首個整合多腦區(qū)和復(fù)雜內(nèi)皮系統(tǒng)的大腦類器官，將大腦皮層、中后腦類器官與多細(xì)胞類型的內(nèi)皮類器官融合為一個整體結(jié)構(gòu)（MRBOs），高度模擬了與人類胎兒大腦的發(fā)育相似性；
揭示了內(nèi)皮細(xì)胞在中后腦發(fā)育中的區(qū)域特異性作用，發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細(xì)胞通過VEGF、BMP、PDGF、IGF等信號通路支持中后腦中間祖細(xì)胞的維持與增殖，該效應(yīng)在大腦皮層中不顯著，具有明顯的區(qū)域特異性；
通過多次誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）驗證顯示，GAD65、CTIP2等神經(jīng)元標(biāo)記物的表達(dá)重復(fù)性高達(dá)76–82%，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，為研究神經(jīng)發(fā)育障礙等提供了新平臺。
02、主要研究成果
1. 成功構(gòu)建多區(qū)域腦器官MRBOs模型
本研究通過分步誘導(dǎo)三株健康對照的多能干細(xì)胞（iPSC）系，系統(tǒng)化生成大腦皮層類器官、中后腦類器官和內(nèi)皮類器官，并在第20天通過Matrigel融合，形成結(jié)構(gòu)完整、定位明確的多區(qū)域類器官。
隨后，通過對60天的多區(qū)域腦器官MRBOs，進(jìn)行單核RNA測序分析結(jié)果顯示，UMAP可視化顯示出清晰的轉(zhuǎn)錄組簇，捕捉到MRBOs的完整細(xì)胞多樣性，并鑒定出多個神經(jīng)元群體和內(nèi)皮細(xì)胞類型，證實了神經(jīng)和血管成分的成功整合。基因本體(GO)分析結(jié)果顯示，分化程度高的細(xì)胞，如神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細(xì)胞等富集于神經(jīng)發(fā)育、軸突發(fā)生等，而早期祖細(xì)胞、放射狀膠質(zhì)細(xì)胞等則富集于細(xì)胞增殖及有絲分裂過程。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，多區(qū)域腦類器官與人胎兒大腦（Carnegie stage 12–16）的細(xì)胞簇重疊度達(dá)80%，表現(xiàn)出極高的發(fā)育相似性，這表明MRBOs能夠高度模擬人胎兒大腦的發(fā)育。
圖1
2. 多區(qū)域腦類器官的細(xì)胞異質(zhì)性
為了全面描述細(xì)胞異質(zhì)性并驗證不同腦區(qū)的成功整合，研究人員對所有類器官類型(單個及組合)進(jìn)行單細(xì)胞RNA測序分析顯示，MRBOs包含皮層神經(jīng)元（CUX1）、中后腦神經(jīng)元（HOXB3）、內(nèi)皮細(xì)胞（VEGFA）等多種細(xì)胞類型，且各類器官及其組合均保留了獨特的細(xì)胞身份和區(qū)域特征。
圖2
3. 內(nèi)皮細(xì)胞對中后腦發(fā)育的區(qū)域特異性支持
隨后，研究人員發(fā)現(xiàn)，只有在含有內(nèi)皮組分的類器官中，才出現(xiàn)PHOX2B等表達(dá)中后腦標(biāo)記物的中間祖細(xì)胞群。內(nèi)皮細(xì)胞通過VEGF、BMP、PDGF、IGF等信號通路，支持中后腦中間祖細(xì)胞的維持與增殖，這表明，內(nèi)皮細(xì)胞來源的旁分泌信號，對維持和增殖后腦發(fā)育中的中間祖細(xì)胞至關(guān)重要。
通過整合所有含大腦皮層成分的類器官及單獨內(nèi)皮類器官的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并未觀察到內(nèi)皮細(xì)胞對大腦皮層細(xì)胞成分產(chǎn)生顯著影響，這表明內(nèi)皮細(xì)胞主要影響后腦發(fā)育，而非大腦皮層發(fā)育，其具有明顯的區(qū)域特異性。
圖3
4. 多區(qū)域腦類器官展現(xiàn)出更復(fù)雜的神經(jīng)活動模式
隨后，研究人員對不同類器官類型(Day 35-65)進(jìn)行微電極陣列 (MEA)電生理記錄，結(jié)果顯示，不同類器官類型隨時間推移展現(xiàn)出不同的電生理特征，不同的腦區(qū)在功能上實現(xiàn)了充分整合。
其中，多區(qū)域腦類器官在培養(yǎng)60天后，其峰頻率和爆發(fā)率顯著增加 (p < 0.05)，尖峰間隔縮短，網(wǎng)絡(luò)活動模式變化最顯著，表現(xiàn)出更復(fù)雜的神經(jīng)活動模式，表明其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能整合優(yōu)于單一腦區(qū)類器官。
圖4
5. 多區(qū)域腦類器官細(xì)胞組織特征的二次驗證
研究人員利用免疫組織化學(xué)、Buk RNA-seq及定量分析等對多區(qū)域腦類器官的細(xì)胞組織開展了進(jìn)一步驗證。熱圖顯示各類器官高表達(dá)其區(qū)域特異性標(biāo)記物，定量分析顯示，MRBOs中存在多種細(xì)胞類型，CD31+、SV2A+、VAChT+、CD34+細(xì)胞數(shù)量顯著，表明融合結(jié)構(gòu)包含并維持了多種細(xì)胞譜系。
通過免疫組織化學(xué)(IHC)與血腦屏障結(jié)構(gòu)初步驗證，觀察到與早期BBB發(fā)育相關(guān)的細(xì)胞和分子特征，包括內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞、緊密連接、轉(zhuǎn)運體和星形膠質(zhì)細(xì)胞的標(biāo)記物。表達(dá)CD31、ZO-1等血腦屏障相關(guān)蛋白，表明MRBOS展現(xiàn)出初步的、與早期血腦屏障結(jié)構(gòu)BBB形成相關(guān)的細(xì)胞組織特征。
圖5
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03、編者點評
本研究成功開發(fā)了整合大腦皮層、中后腦和復(fù)雜內(nèi)皮系統(tǒng)的多區(qū)域腦類器官 (MRBOs)模型，高度模擬了人胎兒腦發(fā)育過程，揭示了內(nèi)皮細(xì)胞在區(qū)域腦發(fā)育中的關(guān)鍵作用，特別是通過旁分泌信號支持后腦中間祖細(xì)胞，展現(xiàn)了超越單一區(qū)域模型的功能整合潛力，為研究神經(jīng)發(fā)育障礙、測試神經(jīng)血管相互作用相關(guān)療法提供了前所未有的平臺。
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參考文獻(xiàn)：
A. Kshirsagar, S. Kulkarni, et al. Multi-Region Brain Organoids Integrating Cerebral, Mid-Hindbrain, and Endothelial Systems. Adv. Sci. 2025. DOI: 10.1002/advs.202503768