综述：基于水凝胶的内耳类器官：药物筛选与耳聋建模的新平台

《Neuroscience Bulletin》：Inner Ear Organoids: A Hydrogel-Based Platform for Drug Screening and Deafness Modeling

本综述系统阐述内耳类器官（IEOs）作为药物筛选与疾病建模新平台的突破性进展。文章聚焦胚胎干细胞（ESCs）、诱导多功能干细胞（iPSCs）等细胞来源，详解Matrigel与新型水凝胶等细胞外基质（ECM）材料的优化策略，强调通过生化（Wnt/β-catenin通路调控）与生物物理（电声刺激、机械应力）微环境调控促进毛细胞（HCs）分化。作者指出IEOs在模拟遗传性耳聋病理机制、高通量药物筛选及个性化医疗中的巨大潜力，同时提出当前面临类器官成熟度不足、血管网络缺失等挑战，未来需结合微流控技术与机器学习推动临床转化。

　　

引言

传统药物研发长期依赖动物模型与二维细胞培养，但存在物种差异大、无法模拟复杂生理环境等局限。随着组织工程发展，类器官技术为药物评估提供了更接近人体生理状态的三维模型。内耳作为听觉系统的核心，其毛细胞（HCs）的不可再生特性及耳蜗解剖结构的复杂性，使得内耳类器官（IEOs）成为研究听觉机制与疾病治疗的重要工具。

IEOs的构建

细胞来源

IEOs的细胞来源主要包括胚胎干细胞（ESCs）、诱导多能干细胞（iPSCs）和组织特异性祖细胞（TSPs）。其中Lgr5⁺祖细胞因具有Wnt信号通路响应能力，可高效分化为毛细胞样结构。研究显示，通过CHIR99021（糖原合成酶激酶3β抑制剂）与丙戊酸联合处理，可显著促进Lgr5⁺支持细胞增殖。相较多能干细胞，TSPs分化路径更可控，但存在细胞扩增效率低、神经元-毛细胞相互作用模拟不足等问题。

细胞外基质（ECM）

传统基质材料Matrigel虽能模拟体内ECM环境，但其机械性能不可控且存在免疫原性风险。新型水凝胶材料如明胶甲基丙烯酰胺（GelMA）与透明质酸（HA）复合体系，可通过调节交联度精准调控基质硬度。研究表明，中等机械应力通过整合素α3/F-肌动蛋白细胞骨架/YAP信号轴促进祖细胞增殖，而高强度应力则通过Ca²⁺/细胞外信号调节激酶1/2（ERK1/2）/Kruppel样因子2（KLF2）通路驱动毛细胞分化。

导电材料如石墨烯和Ti₃C₂T_x MXene纳米材料的引入，进一步优化了类器官的电生理微环境。石墨烯氧化物可通过增强细胞-ECM相互作用促进毛细胞间隙连接形成，而MXene-明胶复合物则显著提升毛细胞成熟效率。

微环境调控

生化调控方面，表皮生长因子（EGF）、成纤维细胞生长因子（FGF）与B27等添加剂可模拟内耳发育关键信号通路。研究发现，2-磷酸-L-抗坏血酸（维生素C衍生物）联合ALK5抑制剂616452能协同促进Lgr5⁺细胞扩增。

生物物理调控中，通过3D生物打印技术构建的螺旋状耳蜗类器官，可模拟耳蜗淋巴液流动产生的机械应力。电声联合刺激系统则能复现生理状态下声波-电信号转换过程，增强毛细胞间相互作用与基因表达调控。

IEOs的应用

药物筛选

IEOs对顺铂等耳毒性药物表现出与体内相似的敏感性，例如人iPSCs来源的螺旋神经节类器官在乌本苷处理后出现显著神经元损伤。基于类器官的高通量筛选已发现regorafenib（血管内皮生长因子受体抑制剂）可通过MAPK/ERK通路促进毛细胞重编程。

听力损失疾病建模

利用CHD7基因突变的人源类器官模型，揭示了该基因在毛细胞分化中的关键作用。单细胞RNA测序技术进一步发现，Tmprss3基因敲除会导致钙离子结合蛋白表达下降，引发毛细胞凋亡。这些模型为遗传性耳聋机制研究提供了人特异性平台。

个性化医疗

通过患者iPSCs构建定制化IEOs，可评估个体基因背景对药物反应的影响。例如特定患者来源的类器官对组蛋白去乙酰化酶抑制剂（如VPA）敏感性差异，为精准用药提供依据。

挑战与展望

当前IEOs仍面临毛细胞成熟度不足、缺乏血管网络及批次间异质性大等挑战。未来需通过微流控技术模拟耳蜗微循环，结合机器学习分析高通量数据，推动类器官在听觉修复领域的临床转化。