编辑推荐：
这篇综述介绍了类器官聚集体技术进展，及其在大脑发育和疾病建模中的应用与挑战。
引言
人类大脑发育以及神经系统疾病的发病机制，一直是神经科学领域长期探索的重要问题。然而，获取人类原发性脑组织存在诸多限制，这使得科研人员在很大程度上依赖动物模型来研究这些问题。但小鼠和人类大脑在发育过程中存在着根本差异，这可能导致基于小鼠模型的研究结果无法完全准确地反映人类大脑的真实情况。
近年来，源自人多能干细胞（hPSCs）的神经类器官崭露头角。这种类器官能够模拟早期人类大脑发育过程中的自我组织和多细胞特征，为神经科学研究提供了新的方向。将多个类器官进行可控整合形成的类器官聚集体，更是开启了研究细胞间相互作用机制的大门。同时，利用患者来源或经过基因工程改造的 hPSCs，为探究神经发育障碍的表型关联以及提出治疗假设创造了有利条件。本文将详细阐述类器官聚集体技术的研究进展，总结其在大脑发育和疾病建模方面的应用，并探讨当前研究体系面临的主要障碍和潜在解决方案。
类器官聚集体技术的发展
传统的动物模型虽然在神经科学研究中发挥了重要作用，但小鼠等动物的大脑在结构、功能以及发育过程等方面，与人类大脑存在显著差异。例如，小鼠大脑的神经元数量、细胞类型分布以及神经回路的复杂性都远低于人类大脑。这些差异限制了从动物模型研究中获得的成果对人类大脑发育和疾病机制的解释能力。
hPSCs 具有分化为多种细胞类型的潜能，为构建更接近人类大脑的研究模型提供了可能。神经类器官是由 hPSCs 在特定培养条件下自发形成的三维细胞聚集体，能够模拟早期人类大脑的部分结构和功能特征，如神经干细胞的增殖、分化以及神经元的迁移等过程。然而，单个神经类器官在模拟大脑复杂的细胞间相互作用和组织结构方面仍存在一定局限性。
为了更好地模拟大脑的复杂性，研究人员开始尝试将多个类器官进行整合，形成类器官聚集体。这种技术通过精确控制类器官的组合方式和培养条件，使得不同类型的类器官之间能够发生相互作用，模拟大脑中不同区域细胞之间的信号交流和组织构建。例如，将包含不同脑区特征的神经类器官进行组合，可研究不同脑区神经元之间的连接和功能整合，为深入理解大脑发育过程中的神经回路形成提供了有力工具。
类器官聚集体在大脑发育研究中的应用
类器官聚集体为研究人类大脑发育过程提供了独特的视角。在大脑发育早期，神经干细胞不断增殖和分化，形成各种神经元和神经胶质细胞，并逐渐构建起复杂的神经回路。通过观察类器官聚集体中细胞的行为，研究人员可以直观地了解这些过程的发生机制。
在神经干细胞分化方面，研究发现类器官聚集体中的神经干细胞在特定信号通路的调控下，能够分化为多种类型的神经元，如谷氨酸能神经元、γ- 氨基丁酸（GABA）能神经元等。这些神经元在聚集体中有序分布，并形成类似大脑皮质层的结构，这有助于揭示大脑皮质分层发育的分子机制。
在神经回路形成方面，类器官聚集体模拟了神经元之间的轴突生长、突触形成以及电信号传递过程。研究人员通过标记不同类型的神经元，追踪轴突的生长轨迹，发现神经元之间能够通过特定的分子信号识别彼此，并建立起功能性的突触连接。这一过程不仅受到细胞内在基因程序的调控，还受到周围细胞微环境的影响，为理解大脑神经回路的精准构建提供了关键线索。
此外，类器官聚集体还可用于研究大脑发育过程中的细胞迁移现象。在大脑发育过程中，神经干细胞及其分化产生的神经元需要迁移到特定的位置，才能形成正常的大脑结构。在类器官聚集体中，研究人员观察到神经元能够沿着特定的细胞外基质成分和引导信号进行迁移，这一发现有助于深入探讨大脑发育过程中细胞迁移异常与神经发育障碍之间的关系。
类器官聚集体在疾病建模中的应用
利用患者来源的 hPSCs 构建类器官聚集体，为研究神经发育障碍的发病机制和开发潜在治疗方法提供了有力手段。许多神经发育障碍，如自闭症谱系障碍（ASD）、智力障碍等，具有复杂的遗传背景和环境因素相互作用的特点，难以在传统动物模型中完全模拟。
以自闭症谱系障碍为例，研究人员从自闭症患者体内获取成纤维细胞，通过重编程技术将其转化为 hPSCs，再诱导形成神经类器官并构建类器官聚集体。与正常对照组相比，自闭症患者来源的类器官聚集体在细胞增殖、分化以及神经回路形成等方面表现出明显异常。例如，研究发现这些聚集体中神经元的树突棘密度降低，突触传递功能受损，这与自闭症患者大脑中神经元连接异常的临床特征相吻合。通过对这些异常表型的深入研究，有助于揭示自闭症的发病机制，为开发针对性的治疗药物提供潜在的靶点。
对于一些单基因遗传性神经发育障碍，如脆性 X 综合征，研究人员可以利用基因编辑技术对 hPSCs 进行精准修饰，模拟疾病相关基因突变，再构建类器官聚集体。在脆性 X 综合征的类器官聚集体模型中，研究人员观察到与正常模型相比，神经元的发育和功能出现明显异常，包括树突分支减少、突触可塑性改变等。这些异常表型为理解脆性 X 综合征的发病机制提供了重要依据，同时也为筛选和评估潜在的治疗药物提供了有效的实验平台。
当前研究体系面临的主要障碍
尽管类器官聚集体技术在大脑发育和疾病建模研究中取得了显著进展，但目前的研究体系仍面临一些主要障碍。
首先，类器官聚集体的构建和培养技术仍有待进一步优化。目前，类器官聚集体的形成过程存在一定的随机性和不可重复性，不同实验室培养的类器官聚集体在结构和功能上可能存在较大差异。这主要是由于培养条件的细微变化，如培养基成分、细胞接种密度、培养时间等因素，都会对类器官聚集体的发育产生显著影响。此外，类器官聚集体在长期培养过程中还存在细胞活力下降、组织退化等问题，限制了对大脑发育和疾病进展过程的长期观察和研究。
其次，类器官聚集体与真实大脑在组织结构和功能上仍存在一定差距。虽然类器官聚集体能够模拟大脑的部分特征，但它们缺乏与真实大脑相似的血管系统、免疫细胞浸润以及复杂的神经调节网络。这使得类器官聚集体在模拟大脑的生理和病理过程时存在一定的局限性，无法完全反映真实大脑在疾病发生和发展过程中的复杂变化。
再者，对类器官聚集体的分析技术还不够完善。目前，研究人员主要通过形态学观察、免疫组织化学染色以及基因表达分析等方法来研究类器官聚集体的特征。然而，这些方法在检测细胞间相互作用的动态变化、单细胞水平的功能分析以及整体组织的功能评估等方面存在一定的局限性。缺乏高分辨率、实时、动态的分析技术，限制了对类器官聚集体中细胞行为和分子机制的深入理解。
潜在解决方案
针对当前研究体系面临的障碍，研究人员正在探索一系列潜在的解决方案。
在优化构建和培养技术方面，研究人员致力于开发更加标准化、可重复性高的培养方案。通过精确控制培养基成分、优化细胞接种密度和培养条件等参数，提高类器官聚集体的质量和稳定性。同时，研究人员还在尝试引入微流控技术、生物反应器等先进设备，为类器官聚集体提供更接近体内环境的培养微环境，促进其长期稳定生长。例如，微流控技术可以精确控制营养物质和信号分子的浓度梯度，模拟体内的生理微环境，有利于类器官聚集体的发育和功能成熟。
为了缩小类器官聚集体与真实大脑之间的差距，研究人员正在尝试构建更加复杂的类器官聚集体模型。一方面，通过引入血管内皮细胞、免疫细胞等多种细胞类型，构建包含血管系统和免疫微环境的类器官聚集体，以更好地模拟大脑的生理和病理过程。另一方面，利用生物材料和 3D 打印技术，构建具有特定结构和力学性能的支架，引导类器官聚集体的生长和组织构建，使其更接近真实大脑的组织结构。
在分析技术方面，研究人员积极开发新的分析方法和工具。例如，单细胞测序技术的不断发展，使得研究人员能够在单细胞水平上深入分析类器官聚集体中细胞的基因表达谱和分子特征，揭示细胞间的异质性和细胞命运决定机制。此外，实时成像技术、电生理记录技术以及质谱分析技术等的应用，为研究类器官聚集体中细胞间相互作用的动态变化、神经元的电活动以及蛋白质组学特征提供了有力手段。这些新技术的不断涌现和应用，将有助于深入理解类器官聚集体的生物学特性和功能机制。
结论
类器官聚集体技术作为一种新兴的研究手段，为神经科学领域关于人类大脑发育和神经系统疾病的研究带来了新的机遇。通过模拟早期人类大脑发育的自我组织和多细胞特征，以及构建疾病相关的类器官聚集体模型，研究人员在大脑发育机制和疾病发病机制的研究方面取得了重要进展。然而，目前的研究体系仍面临诸多挑战，需要在构建和培养技术、模型优化以及分析技术等方面不断创新和完善。随着技术的不断进步和研究的深入，类器官聚集体有望成为研究人类大脑发育和神经系统疾病的重要工具，为开发新的治疗方法和干预策略提供理论依据和实验支持，推动神经科学领域的发展，为人类健康事业做出更大的贡献。
