類器官研究進展——類腦（下）

韓津中科院再生醫學

類腦技術的應用

第二部分：腦疾病的模擬

利用動物模型研究神經發育疾病目前非常普遍，但由於物種差異會造成病程、細胞結構、細胞組成和基因背景的差異。動物模型對於一些單基因疾病，可以通過敲除某個基因而實現模擬，但對於譜系性自閉症、精神分裂症等多基因疾病，是很難通過動物模型進行模擬的。

利用類腦技術，在體外研究人類的腦疾病，具有很多優勢：首先，提供了三維多細胞的細胞微環境；其次，活細胞的體系對於電生理和細胞行為的動態變化都易於觀察；更重要的，利用iPS和基因編輯技術，可以將病人的細胞誘導獲得多能幹細胞形成類腦組織，並進行精準的基因水平修復。目前，科學家們正利用類腦技術在多種腦疾病研究中進行嘗試。

一、神經發育失調模型

由於類腦的發育還限於胚胎早期和中期，適合於一些在神經發育早期疾病的模擬。以CDK5RAP2基因突變的小頭症患者的多能幹細胞形成的類腦，可檢測到增殖的前體細胞數量減少和神經分化的早熟1。

另一種嚴重的先天性無腦回疾病----Miller-Dieker綜合症是染色體缺失疾病。這種疾病的小鼠模型已經存在，雖然相應染色體缺失的小鼠也顯示出神經上皮幹細胞有絲分裂紡錘體失調和神經遷移缺失的現象，然而鼠腦並沒有溝回，並不是非常適合的動物模型。利用Miller-Dieker綜合症患者的多能幹細胞製備的類腦組織，在研究中除了觀察到小鼠模型中的類似現象以外，還發現室管膜樣區域內神經上皮幹細胞的嚴重凋亡、oRG細胞的有絲分裂缺失以及WNT信號的非自主缺失2。

前兩年爆發的寨卡病毒也顯示了類腦技術的應用潛力。2016年初，儘管寨卡的流行與先天性小頭症已顯現出聯繫，但還沒有寨卡病毒感染引起出生缺陷的直接證據。利用類腦組織的研究發現，寨卡病毒對神經前體細胞具有特異的感染性，並進而造成神經前體細胞的減少3。

1 正常人誘導性多能幹細胞來源的類腦組織在感染了寨卡病毒後，形成的類腦組織（右圖）要明顯的小於正常類腦（左圖）

在模擬腦發育的應用部分，我們提到類腦組織的細胞組成與腦組織相比有一定的缺失。在寨卡病毒的研究中，類腦組織的結果4與腦片培養5的研究結果相比產生了偏差。在類腦研究中寨卡病毒病毒很少感染星型細胞，而腦片研究這一現象則非常普遍。同時，利用腦片研究科學家還發現，小膠質細胞可能是寨卡病毒最傾向於感染的細胞，然而由於類腦組織中並沒有小膠質細胞而無法發現這一重要現象。寨卡病毒與小腦症的研究，既展示了類腦技術在體外研究中的優勢，也暴露了其尚不完善的缺點。

二、精神障礙疾病模型

目前已有利用二維的多能幹細胞體系研究精神障礙疾病發病機制的嘗試，包括精神分裂症、躁鬱症和rett綜合症。類腦組織模型與二維培養相比，結構更為複雜。最近，科學家利用自閉症患者的細胞獲得的類前腦組織發現其FOXG1表達失調、細胞周期進程加速以及GABA能神經元增多6。

類腦技術還被用在Timothy綜合症的研究中，利用病人的多能幹細胞分別形成腹側和背側類前腦，在二者融合構建中間神經元遷移模型中，科學家發現病人的中間神經元喪失了自發遷移的能力7。

由於上述精神障礙疾病其致病機制和細胞表型的研究尚不深入，因此只有在更多的實驗室獲得更多可重複的實驗結果的情況下，才能說明在類腦組織中發現的現象與該疾病具有相關性。同時，很多的精神疾病表現為出生以後的神經系統發育障礙，由於類腦成熟的限制我們必須要考慮病人來源的類腦組織其表現出來的異常特徵與所研究疾病的關係。

三、神經退行性疾病模型

由於神經退行性疾病多發生在人類生命的晚期，類腦的成熟度讓我們不敢確定利用其研究神經性疾病的準確性。然而，在關於阿爾茲海默症的研究中卻發現了一些有趣的結果。目前關於阿爾茲海默症發生機制的澱粉肽假說指出，發病時可見β-澱粉肽的過量積累、超磷酸化的tau蛋白的聚集以及神經纖維纏結。

在使用多位家族性阿爾茲海默症患者的細胞製備的類腦組織中，發現了阿爾茲海默症的病理現象，包括澱粉肽的聚集、tau蛋白的超磷酸化等8。然而這些現象在基因突變的小鼠模型中並沒有發現。在阿爾茲海默症的治療藥物研發中，一些藥物在動物模型中獲得了很好的治療效果，但在三期臨床試驗中卻發現無法有效的治療患者精神意識的喪失9,10。這提示了在藥物的治療疾病的動物實驗和臨床試驗之間，可以利用類腦組織對藥物的有效性進行進一步的篩選。

雖然類腦組織在細胞結構和細胞組成方面尚未達到完全模擬人類腦組織的複雜程度，但一些與疾病緊密相關的病理現象可以被類腦組織呈現，對驗證藥物的有效性具有一定幫助。

類腦技術的挑戰

類腦技術為解決體外研究人類腦發育提供了新的技術模型和平台，前文列舉的類腦技術在腦發育及腦疾病模擬中的應用，證明了其應用潛力。然而，類腦技術還處於興起和發展階段，應用中出現的問題也是科學家們完善類腦技術的巨大動力。

1、細胞類型的缺失

作為致力於模擬腦結構的體外培養組織，類腦組織中神經細胞的類型雖較為全面，但人類的腦組織中還有提供養分的血管內皮細胞以及發揮免疫功能的小膠質細胞。而這些細胞類型在目前的類腦組織中尚沒有發現。形成髓鞘的少突膠質細胞其前體（少突前體細胞）在大多數的類腦組織中也並不常見。

2、發育成熟度還需加強

這是類腦技術發展至今最為重要的一個問題。類腦技術目前可以較好的模擬早期和中期胚胎腦發育的過程，但對胚胎髮育晚期及出生後腦發育的模擬，類腦技術還很難做到。這一點很大程度上制約了類腦技術應用於神經迴路的研究，因為大部分的神經迴路是在出生後形成的。

類腦技術的未來

從上面列舉的類腦技術的應用，我們看到類腦技術在神經分化、發育自組織和神經特定結構的模擬的優勢，顯示了其在大腦發育機制和神經疾病病理研究方面極大的應用潛力。

然而，研究的過程中，科學家們也發現了類腦技術目前成熟緩慢、細胞類型缺失等問題。不斷的發現問題和修正問題將進一步推動類腦技術的改進和更新。對類腦組織製備技術的改進也將著眼於提高類腦組織與神經組織在結構、細胞組成等各方面的相似度，加速類腦組織在體外的發育速度，並進一步做到發育過程的可控。

類腦技術的進步將會推動其應用進一步擴展，應用於更多神經發育過程的研究，並有望在神經疾病治療藥物研發中填補動物實驗和臨床試驗之間的物種鴻溝11。

參考文獻：

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9. Raja, W. K.,et al. (2016). "Self-Organizing 3D Human Neural Tissue Derived fromInduced Pluripotent Stem Cells Recapitulate Alzheimer"s DiseasePhenotypes."PLoS One11(9):e0161969.

10. Retallack,H., et al. (2016). "Zika virus cell tropism in the developing human brainand inhibition by azithromycin."Proc Natl Acad Sci U S A113(50): 14408-14413.

11. Salloway, S., et al. (2014)."Two phase 3 trials of bapineuzumab in mild-to-moderate Alzheimer"sdisease."N Engl J Med370(4):322-333.

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