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本文聚焦大脑衰老研究，全面梳理从传统到 3D 的多种模型（如无脊椎动物、脊椎动物、2D 细胞、3D 器官 oid 等）。探讨其在揭示衰老机制、研发疗法方面的作用，分析各模型优劣势，为理解大脑衰老、攻克神经退行性疾病（NDDs）提供关键参考。
1. 引言
衰老对大脑的影响广泛且复杂。在结构上，大脑不同区域随年龄变化显著，整体每年萎缩 0.2 - 0.5%，灰质（如前额叶皮层）在成年早期就开始减少，白质因脱髓鞘改变，信号传导减慢，不过这些变化在老年时会趋于稳定 。血脑屏障（BBB）也会逐渐受损，这可能是认知能力下降的前奏。
在生理层面，衰老导致神经递质水平下降，像多巴胺从成年早期开始每年约减少 10%，这与运动和认知能力下降密切相关。同时，神经元密度降低、DNA 损伤、神经递质功能衰退，引发大脑功能逐渐丧失。而且，衰老还会带来一系列细胞和分子层面的变化，如神经元活动异常、氧化应激、能量代谢紊乱、DNA 损伤、细胞废物清除障碍、线粒体功能失调等，这些变化相互交织，共同推动大脑衰老进程，显著增加神经退行性疾病（NDDs）的患病风险。常见的 NDDs 包括阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）等，其发病机制与衰老过程中的多种因素密切相关。深入研究大脑衰老机制，对预防和治疗这些疾病至关重要。
2. 传统衰老研究模型
在衰老研究中，多种传统模型发挥着重要作用。
2.1. 无脊椎动物模型
无脊椎动物模型，例如果蝇（D. melanogaster）、酵母（S. cerevisiae）和线虫（C. elegans），常被用于探究衰老相关系统，像胰岛素 / IGF 和 mTOR 通路。果蝇作为经典模型，在研究基本生物学过程方面历史悠久，其在突触可塑性、神经传递和神经发生等方面与人类有相似之处，可用于研究氧化应激、线粒体功能障碍与神经退行性疾病的关系，还能进行药物筛选。酵母虽然是单细胞生物，但因其基因和通路的保守性，在衰老研究中也有独特价值，通过测量复制寿命（RLS）和 chronological lifetime（CLS），有助于揭示保守的衰老通路。线虫则在研究自噬等细胞过程中表现出色，其在营养匮乏等情况下会激活自噬通路，相关基因参与自噬体形成等过程，对理解细胞废物管理和神经退行性疾病中有毒蛋白积累机制意义重大。不过，无脊椎动物模型缺乏人类样的器官系统，在模拟人类大脑衰老和 NDDs 方面存在局限性。
2.2. 脊椎动物模型
脊椎动物模型如斑马鱼、小鼠和大鼠，因其与人类器官系统相似而被广泛应用。斑马鱼与人类基因相似度约 70%，具有发育迅速、寿命短、能再生神经元等优势，可用于研究神经退行性疾病、认知衰退、神经炎症和神经再生等。例如，研究发现衰老斑马鱼中 p53 和 AKT 信号平衡影响细胞命运，从凋亡向衰老的转变有助于维持组织稳态。小鼠的寿命约 2.5 - 3 年，常用于验证基因和通路，如 Telomouse 模型可研究端粒长度对人类衰老和疾病的影响；还有研究揭示了 mTORC1 信号通路与小鼠衰老的关系。大鼠在研究年龄相关认知和神经学改变方面有独特价值，其大脑结构与人类相似，自然衰老时会出现不同程度的认知丧失，避免了转基因小鼠可能出现的发育异常问题，像 OXYS 大鼠在行为学测试中表现出与年龄相关的变化。
3. 二维（2D）原代细胞和细胞系模型研究大脑衰老
2D 细胞培养模型在衰老和相关疾病研究中应用广泛，具有成本低、研究历史悠久、适配多种分析技术等优点，可用于高通量药物筛选和观察细胞形态变化。
原代间充质干细胞（MSCs）在治疗衰老相关疾病方面有潜力，其分泌的细胞外囊泡（EVs）可降低大脑内的氧化应激，对 AD 和中风等疾病有潜在治疗效果。例如，研究发现 miR - 206 在调节 MSCs 对衰老影响中起重要作用，它能影响脑源性神经营养因子（BDNF）表达，进而改善神经元状况。诱导多能干细胞（iPSCs）可分化为神经元，用于研究衰老对神经元健康和功能的影响，如研究衰老对突触功能和可塑性的作用。
细胞系如 SH - SY5Y 神经母细胞瘤细胞，在分化为神经元样细胞后会呈现衰老特征，可用于研究神经退行性疾病机制；HT22 海马神经元则用于研究谷氨酸诱导的兴奋性毒性。此外，2D 模型便于精确操纵遗传和环境因素，如利用 CRISPR - Cas9 技术研究特定衰老相关基因的作用，以及观察细胞对氧化应激等刺激的反应，为神经保护治疗靶点研究提供了重要信息。但原代细胞存在细胞多样性有限、生长能力受限等问题，2D 模型整体也与体内衰老过程存在差距，需要更先进的模型来弥补这些不足。
4. 向三维（3D）模型转变研究大脑衰老
随着对大脑衰老研究的深入，3D 模型因其独特优势逐渐成为研究热点。与 2D 细胞培养和传统动物模型相比，3D 模型能更精准地模拟人体的空间组织和微环境，支持多种细胞和神经元生长，有助于研究突触功能、神经连接和细胞间相互作用等，为理解大脑衰老机制和开发治疗方法提供了更有效的工具。
4.1. 工程化人类神经组织
3D 支架在模拟大脑衰老表型方面发挥着关键作用。细胞外基质（ECM）是细胞生存的重要微环境，传统 2D 培养难以复制其复杂性，而 3D 支架由胶原蛋白、纤连蛋白等生物材料构成，能更好地模拟天然 ECM，促进细胞的增殖、分化和迁移。支架的孔隙率和机械强度等特性对神经组织工程十分关键，高孔隙率有利于营养物质扩散和废物排出，合适的机械性能可影响神经干细胞的命运和功能。例如，水凝胶在修复神经损伤、改善神经系统疾病方面有潜力；3D 生物打印技术可制造精确结构的神经支架，结合导电材料能促进神经信号传递，模拟功能性神经网络。尽管如此，3D 支架在实现合适的血管化、更精准模拟大脑 ECM 的生化和机械特性以及整合多种细胞类型等方面仍面临挑战。
4.2. 神经球
神经球作为 3D 神经细胞聚集体，为研究大脑衰老表型提供了更具生理相关性的环境。它能重现大脑中复杂的细胞间相互作用，通过组合神经元和神经胶质细胞等不同类型的神经细胞，可研究年龄相关变化和 NDDs。例如，神经球可表现出淀粉样 β 积累和 tau 蛋白沉积等衰老特征，有助于研究 AD 等疾病。而且，特定脑区的神经球能模拟大脑特定部位的衰老过程，增强了对大脑不同区域衰老机制的研究能力。将神经球与微流控平台结合，可优化营养供应和废物清除，更准确地模拟体内微环境，为研究衰老和 NDDs 提供更有效的模型。
4.3. 人类脑器官 oid
器官 oid 是高度模拟人体器官的 3D 培养物，在研究大脑衰老方面有独特价值。脑器官 oid，即 “迷你大脑”，通过将人类体细胞重编程为 iPSCs 构建而成，能复制人类大脑发育的重要特征。尽管存在缺乏微胶质细胞和血管化等问题，但它仍为研究衰老和 NDDs 提供了新视角。例如，用三甲胺 - N - 氧化物（TMAO）处理 iPSCs 来源的中脑器官 oid，可观察到衰老表型，有助于研究 TMAO 在 PD 等疾病中的作用；研究发现过表达 klotho 可防止器官 oid 中的神经元衰老；还有研究构建的模型可模拟神经免疫相互作用，揭示免疫系统在大脑衰老中的作用。免疫活性脑器官 oid 整合了微胶质细胞，能更准确地模拟衰老大脑的免疫微环境，为研究神经和免疫细胞在衰老过程中的相互作用提供了有力工具。
4.4. 用于大脑衰老研究的微流控系统
微流控系统在大脑衰老研究中应用广泛。它能更精确地模拟体内环境，在构建血脑屏障（BBB）模型方面优势明显，有助于研究 BBB 在衰老和相关疾病中的功能，评估药物对 BBB 的影响。例如，利用微流控技术研究线虫的机械感觉神经元衰老，发现神经元对刺激的反应随年龄变化，基因表达模式也存在特征。微流控平台还可研究大脑衰老的多种特征，如蛋白质聚集、线粒体功能障碍等，通过模拟大脑微环境，观察衰老细胞及其分泌产物对神经炎症和神经退行性变的影响。此外，微流控技术在培养脑器官 oid 方面也有优势，如重力驱动的微流控技术可提供动态、无泵的环境，有利于长期培养和药物发现，还能用于研究与大脑衰老相关的表观遗传修饰。
4.5. 芯片上的大脑（Brain - on - a - chip）
芯片上的大脑技术是先进的微流控系统，旨在体外模拟器官和生物体水平的功能。它通过在动态流体流动下，在中空管中培养活组织和细胞，模拟重要的生理过程和组织界面。例如，构建的人类 BBB - on - a - chip 模型可评估 BBB 完整性，研究免疫细胞迁移和药物效果；还有模型可模拟神经衰老和 AD 的关键特征，为研究疾病机制和测试药物提供了新平台。自动化的芯片实验室可实现脑器官 oid 的长期培养和观察，研究免疫驱动的大脑衰老过程。不过，该技术在模拟人类大脑的复杂血管界面、细胞连接和结构方面仍存在挑战。
5. 3D 模型的应用
3D 模型在大脑衰老研究领域有着广泛且重要的应用。
在研究大脑衰老和 NDDs 机制方面，3D 脑器官 oid 能重现衰老大脑的结构复杂性和细胞多样性，帮助研究人员探究错误折叠蛋白积累、神经炎症、氧化应激等病理特征，以及神经元和神经胶质细胞的衰老和 DNA 损伤反应，为理解大脑衰老和神经退行性变的分子过程提供了关键依据。
在药物发现和测试方面，3D 模型具有显著优势。它能在接近体内的环境中进行高通量药物筛选，评估药物毒性和疗效。与传统动物模型相比，3D 人类大脑模型能更准确地反映药物对人类神经元和神经胶质细胞的影响，还可通过基因修饰模拟 NDDs，用于靶向药物测试和生物标志物鉴定。此外，3D 模型对血脑屏障的模拟，有助于评估药物的通透性和疗效，推动了针对衰老相关脑部疾病的有效治疗方法的开发，降低了临床试验的失败率，促进了个性化治疗的发展。
3D 模型还可用于研究代谢和环境因素对大脑衰老的影响。通过在可控环境中操纵氧化应激、线粒体功能障碍、葡萄糖代谢等因素，以及研究营养干预、热量限制和运动模拟化合物的作用，有助于揭示生活方式因素对大脑衰老的影响，为促进健康大脑衰老和预防 NDDs 提供了新策略。
6. 3D 模型的优势与局限
3D 模型在大脑衰老研究中展现出诸多优势。相较于传统动物模型，脑器官 oid 等 3D 模型为研究 NDDs 提供了替代方案，有助于减少对动物实验的依赖，解决伦理问题，同时更深入地理解人类生理学。3D 模型能更好地描绘大脑复杂的解剖结构，包括神经胶质细胞、动脉和神经元，对研究大脑衰老过程中血脑屏障完整性变化、细胞退化和突触连接丧失等方面至关重要，有助于理解衰老对神经连接和功能的影响。在药物研究方面，3D 模型能更真实地模拟生理环境，研究药物与大脑的相互作用，评估抗衰老和神经保护药物对神经网络、细胞健康和脑组织结构完整性的影响，还可模拟血脑屏障，助力开发针对衰老相关脑部疾病的靶向疗法。此外，3D 环境下细胞行为更接近真实情况，有利于研究大脑衰老相关指标和细胞过程，iPSC 来源的 3D 模型还可实现个性化研究。
然而，3D 模型也存在一些局限性。器官 oid 模型面临工具不可靠、重编程效率不一致的问题，部分细胞类型缺失，发育可能超出生理阶段，长期保存困难，且缺乏血管化和神经支配等生理微环境，许多模型还缺少免疫细胞和微胶质细胞，限制了对大脑衰老相关炎症过程的研究。传统模型虽然应用广泛，但在模拟人类大脑的细胞和分子连接、微环境、复杂性和组织方面存在不足，预测治疗效果能力有限，2D 培养也存在细胞间通讯模拟不准确等问题。相比之下，3D 模型虽前期成本较高，但在可扩展性、成本效益和药物筛选准确性方面具有潜力，对理解大脑衰老病理、疾病进展和药物测试意义重大，在再生医学中也有应用前景。
7. FDA 批准的用于治疗神经系统疾病的 3D 支架
美国食品药品监督管理局（FDA）批准了多种用于治疗神经系统疾病的 3D 支架。例如，基于胶原蛋白的神经导管，像 NeuroMatrix、NeuroWrap 等；非可降解的支架 Salubridge 和 SaluTunnel；由合成聚酯构成的 Neurolac 和 Neurotube；含有多种 ECM 成分和生长因子的 Matrigel；在临床试验中表现良好的胶原蛋白基神经引导物 Neuromaix；用于治疗急性缺血性中风的 RGTA?（OTR4132）；以及用于治疗脑脊液漏的双分子层壳聚糖支架等。这些支架在神经修复和疾病治疗方面发挥着重要作用。
8. 结论与展望
随着多种创新模型的发展，大脑衰老研究取得了显著进展。传统的 2D 体外和动物体内模型为基础研究奠定了基础，但它们无法精确复制人类大脑的复杂性和衰老过程。目前，3D 大脑模型处于研究前沿，尤其是脑器官 oid 和微流控（“芯片上的大脑”）模型，能高度模拟大脑结构和衰老过程，对研究氧化应激、神经元相互作用和炎症等大脑衰老关键因素至关重要，为揭示大脑衰老机制和开发治疗 NDDs 的方法提供了有力支持。
未来，3D 模型有望进一步发展，整合更高复杂性的类器官（assembloids），促进器官 oid 结构和功能的成熟。通过化学和基因工程加速模型的衰老过程，有助于研究衰老相关表型，确定抗衰老靶点。同时，解决 3D 模型的技术限制，如提高其寿命和血管化程度，整合免疫细胞、支持细胞和血脑屏障成分，将增强其治疗意义。随着 3D 大脑模型的不断发展，有望深化对大脑衰老的理解，延长健康大脑功能的时间，推动 NDDs 治疗方法的成功开发。
