15.3.1　神经类器官

脑是中枢神经系统的重要组成部分，具有复杂的结构、功能和多种细胞组成。大脑的发育受到细胞内部基因表达和外部动态微环境的协同调控。遵循脑发育学原理，体外hPSCs衍生的脑类器官可以在细胞组成、组织结构和发育轨迹方面模拟脑早期发育的重要特征。脑类器官是由PSCs在3D培养条件下自组织形成的，PSCs来源的拟胚体在特定培养条件下可分化形成神经外胚层球体，将其包埋在3D Matrigel后进一步转移到旋转生物反应器中分化和培养，可产生包含不同脑区结构的异质性脑类器官结构。Madeline A.Lancaster等人建立了一种无添加神经诱导因子的培养体系产生非定向分化脑类器官，包含背侧皮层、腹侧端脑、脉络丛、海马和视网膜等相关细胞及组织结构，概括了早期发育过程中脑的基本结构和功能特点［2］。近年来，研究人员通过在培养基中添加特定小分子和诱导因子产生多种具有特定区域结构的脑类器官，如大脑皮层［71，72］、脑垂体［73］、中脑和下丘脑［74］等。除了模拟脑早期发育过程，脑类器官已用于脑疾病模型建立和研究，例如神经退行性疾病［75］、自闭症谱系障碍［76］、寨卡病毒（Zika virus，ZIKV）感染［77］等。

图15-2　多通道可灌培养脑类器官芯片系统示意图［78］(https://www.daowen.com)

（a）芯片上hiPSCs来源脑器官的形成过程及利用其研究尼古丁暴露对脑类器官发育影响的流程；（b）脑类器官芯片的组成及其局部方大图

尽管这些脑类器官体系在神经发育和脑疾病研究领域取得了一定进展，但干细胞随机自组织的分化方式引起的高可变性对脑类器官的可控培养和定量研究提出了挑战，包括难以控制的理化微环境因素，限制了其在大规模药物评价和疾病研究中的应用。秦建华团队建立了一种多通道可灌注培养的脑类器官芯片，探究了机械流体因素对脑类器官发育的影响，发现机械流体因素可促进神经前体和皮层神经元的分化，并有利于不同脑区结构组装形成［78（］图15-2）。Eyal Karzbrun等［79］建立了一种空间限域的芯片小室用于脑类器官的培养和发育。随着脑类器官的尺寸增大，芯片内的空间限制促使脑类器官发生结构上的褶皱和卷曲，模拟了大脑发育过程中褶皱形成的物理过程。此外，利用微流控梯度芯片还可形成特定的生化因子梯度，模拟体内脑发育过程的轴向模式（如前-后轴和背-腹轴），从而更精确地模拟脑类器官发育过程［36，37］。目前PSCs衍生的脑类器官包含神经干细胞及其衍生的不同神经细胞类型，如放射状胶质细胞、神经元、星形胶质细胞等，但仍缺乏成熟的血管系统。在过去几年中，研究人员已经探索了几种实现神经类器官血管化的方法。例如，将脑类器官与iPSCs来源的内皮细胞混合培养，并将预血管化的类器官移植到小鼠大脑中［48］。ETV2是一种将细胞转化为内皮细胞的必要且充分的转录因子［80］。另一项研究将过表达ETV2的hiPSCs与正常hiPSCs混合进行悬浮培养，并诱导神经分化［81］，从而产生含有内皮细胞的脑类器官。另一种方法是将脑类器官移植到宿主生物（如小鼠）的大脑中［13，82］，促使宿主血管渗透到脑类器官中进行人脑组织的功能性血管化，并可进行血液灌注。