综述：iPSC来源的神经类器官在痴呆症研究中的进展：近期突破与未来方向

《Neuroscience Research》：iPSC-derived neural organoids in dementia research: recent advances and future directions

本文系统综述了iPSC来源的神经类器官在痴呆症研究中的最新突破与应用前景。文章详细阐述了类器官在模拟阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）等复杂神经退行性疾病病理机制（如Aβ沉积、tau蛋白过度磷酸化）中的独特优势，并探讨了通过基因编辑（如CRISPR/Cas9）与组装体技术整合微胶质细胞、血管单元以提升模型仿真度的策略，为疾病机理研究与药物筛选提供了前沿平台。

神经类器官与痴呆症研究的新纪元

摘要

神经类器官是由多能干细胞自组装形成的三维脑样结构聚集体。相较于传统二维培养体系和动物模型，患者iPSC来源的类器官能在分子到功能层面更真实地再现疾病特征，为痴呆症研究提供了革命性的工具。

1. 引言

痴呆症作为一种以认知功能多重受损为特征的综合征，其社会负担在全球老龄化背景下日益加剧。iPSC技术的成熟与神经类器官的出现，使得在体外模拟人脑发育与疾病病理成为可能，为理解痴呆症的复杂病因学开辟了新途径。

2. 神经类器官及其应用

类器官技术主要分为引导分化法与自引导分化法。引导分化法通过外源信号定向诱导干细胞分化为特定脑区（如大脑皮层、海马、中脑），具有相对一致的特性。自引导分化法则依赖细胞自发性分化，但存在异质性较高的挑战。神经类器官成功模拟了人胎儿脑的发育轨迹，具备脑室区、皮质板等分层结构，并包含神经元、星形胶质细胞等多种细胞类型，甚至能形成功能性突触。转录组学分析进一步证实其与胎儿脑的高度相似性。类器官已广泛应用于神经发育障碍疾病建模，并逐步应用于阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化/额颞叶痴呆等神经退行性疾病的研究。

3. 组装体与类器官整合策略

为克服单一脑区类器官的功能局限性，组装体技术应运而生。通过融合不同脑区特异性类器官，组装体能够模拟脑区间细胞迁移和神经环路形成。整合微胶质细胞、星形胶质细胞甚至血管结构形成的“iAssembloids”，极大地增强了模型在神经炎症、突触丢失等病理过程研究中的生物保真度。此外，“Brain Chimeroids”模型允许在同一类器官内共培养多个供体的干细胞，为个性化毒性评估和疾病研究提供了可扩展的平台。

4. iPSC来源类器官在痴呆症研究中的优势与挑战

3D神经类器官在再现组织结构和功能方面优于2D培养，并能克服物种差异。然而，其局限性在于缺乏非神经谱系细胞，如微胶质细胞和血管细胞。微胶质细胞在神经退行性疾病中扮演双重角色，疾病相关微胶质细胞及其调控因子TREM2已成为研究热点。通过将iPSC来源的微胶质细胞与类器官共培养，可以构建研究神经炎症的良好模型。同样，载脂蛋白E（APOE）基因多态性是散发性AD的最强遗传风险因素，其在Aβ清除中的作用凸显了星形胶质细胞的重要性。近期研究通过延长培养时间、引入胶质细胞促进信号等方式改善类器官中星形胶质细胞的代表性。血管类器官以及与神经类器官组装形成的脑血管类器官，为研究伴有脑血管病变的痴呆症（如DLB）提供了模型。结合CRISPR-Cas9等基因编辑工具，研究者可以在同基因背景下比较疾病表型，深入探究致病机制。

5. 阿尔茨海默病的类器官研究

AD的主要病理特征包括β-淀粉样蛋白（Aβ）沉积形成的老年斑和过度磷酸化tau蛋白形成的神经原纤维缠结。iPSC来源的AD类器官模型，特别是家族性AD（fAD）和散发性AD（sAD）模型，均成功再现了Aβ聚集和tau病理等关键表型，且这些病理变化具有时间依赖性。研究还发现，线粒体肽酶PITRM1的缺失会诱发AD样病理。APOE基因型对AD表型有显著影响，携带APOE4等位基因的类器官表现出更高的Aβ水平、tau磷酸化及细胞凋亡。将APOE4或APOE3基因型的微胶质样细胞与类器官共培养，揭示了不同APOE亚型在Aβ清除中的差异。此外，利用唐氏综合征（DS）类器官模型研究发现，DS微胶质细胞通过增强的I型干扰素信号通路表现出突触修剪功能增强和细胞衰老。模拟血脑屏障破坏的类器官模型也揭示了血清暴露通过诱导BACE1和GSK3α/β导致Aβ和磷酸化tau增加，并引发神经元突触功能降低和星形胶质细胞免疫反应。

6. 其他类型痴呆症的神经类器官研究

6.1. 路易体痴呆

DLB以α-突触核蛋白（α-Synuclein）聚集为特征。研究表明，携带APOE4等位基因的脑类器官α-Synuclein积累增加，且APOE缺失会加剧α-Synuclein积累、突触丢失和细胞器功能障碍，而外源性ApoE2和ApoE3可挽救这些表型。

7. 伴有脑血管病的痴呆症

血液血管类器官已被用于模拟伴有皮质下梗死和白质脑病的常染色体显性遗传性脑动脉病（CADASIL）。NOTCH3突变的BVOs再现了CADASIL样血管病理，包括血管狭窄、壁细胞变性等。利用碱基编辑器纠正NOTCH3点突变可改善血管功能相关基因表达和血管平滑肌细胞的细胞骨架结构。

7.1. 肌萎缩侧索硬化/额颞叶痴呆

针对C9ORF72基因六核苷酸重复扩展的ALS/FTD，脑类器官模型展示了转录和蛋白质稳态紊乱、P62和毒性二肽重复蛋白积累以及DNA损伤等病理特征，并发现深层神经元更易受损。研究还揭示了症状前携带者的类器官也存在神经发育异常和突触功能障碍，为早期病理机制提供了见解。

8. 神经类器官在痴呆症研究中的挑战与前景

当前类器官技术仍面临挑战：默认发育阶段更接近胎儿脑，难以完全模拟年龄相关的神经退行性病变；缺乏血管化导致内部缺氧坏死，影响长期培养和细胞代谢；类器官存在批次间异质性和细胞多样性有限的问题。解决策略包括：将类器官移植到免疫缺陷小鼠脑内促进血管化；利用微流体装置构建类器官芯片模拟脑血管系统；发展组装体技术整合不同脑区、细胞类型以研究复杂神经网络互动。例如，血管化神经免疫类器官模型能诱导出AD关键病理，并可用于测试Aβ靶向抗体Lecanemab的疗效。将组装体技术与CRISPR筛选结合，有助于系统性研究神经发育障碍基因功能。这些进展标志着类器官和组装体系统有望成为加速精准医疗和药物发现的新一代平台。

9. 伦理考量

随着类器官技术的发展，尤其是具有复杂结构和功能的脑类器官以及人-动物脑嵌合体的出现，引发了关于“意识”、“感知”和“道德地位”的伦理讨论。国际干细胞研究学会等机构建议对这类研究进行专门的科学和伦理监督。研究者需确保信息的准确传播，避免公众误解，并建立有效的治理体系。对于涉及脑嵌合体的研究，需审慎评估，并在出现高级认知迹象时考虑停止实验并给予福利保护。供体知情同意应明确涵盖嵌合体生成的可能性。

10. 结论

尽管神经类器官技术在精确建模疾病方面存在局限，但结合基因编辑和组装系统，它将继续为痴呆症研究提供一个充满前景的平台，深化我们对疾病机制的理解并推动治疗策略的开发。

作者贡献

H.I.构思项目。S.S., T.K., 和 H.I.共同撰写稿件。