《ACS AMI》综述：脑类器官技术的研究进展

  转载原创 EFL EngineeringForLife 2022-12-14 00:00 发表于江苏  如有侵权，请联系。

脑类器官是具有类脑细胞类型和结构的自组装三维聚集体，已成为可用于研究人类神经发育和神经系统疾病的新模型系统。然而，由于培养系统的局限性，发育模式信号不足，以及缺乏对大脑发育和功能至关重要的成分，如非神经细胞群和脉管系统，大脑类器官不如真正的人脑成熟和功能强大。为了解决当前大脑类器官技术的局限性，各种工程平台，如细胞外基质、流体装置、三维生物打印、生物反应器、聚合物支架、微电极和生化传感器，已被用于改善神经元的发育和成熟，减少结构异质性，并促进功能分析和监测。近日，来自韩国延世大学的Seung-Woo Cho团队概述了克服脑类器官生产和应用中这些局限性的最新工程技术。相关论文“Recent Advances in Brain Organoid Technology for Human Brain Research”于2022年12月5日在线发表于杂志《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

首先，作者概括了大脑微环境的工程方法。通过合并非外胚层细胞、融合不同的脑类器官区域、改进用于培养脑类器官的ECM以及提供机械/物理刺激来模拟人脑的实际结构和环境（图1）。

图1 大脑微环境的工程方法

之后，作者介绍了近年用于改善类器官培养体系和环境的多种工程策略，包括大规模统一类器官生产平台（图2A-B）、改善脑组织建模的生物打印技术（图2C-D）和扩散改进的平台与方法（图3）。

图2 大规模统一类器官生产的设备平台

 图3 脑类器官扩散改善的工程平台和方法

脑类器官概括了人类神经系统的发展和大脑区域的结构表型，为神经发育和神经疾病提供了重要的见解。然而，使用传统方法很难监测脑类器官的生理特性，例如电生理活动和神经递质释放，这是由于对脑类器官高度复杂的3D结构的低可访问性。作者介绍了使用电极、生化传感器、光遗传学和成像技术分析脑类器官行为和疾病状态的相关研究（图4），并讨论了神经障碍模型和使用人脑类器官进行药物筛选。

图4 分析脑类器官的传感和成像方法

最后，作者总结了目前关于“在脑类器官中实现类似于人脑的环境”的几项研究：（1）整合脉管系统、免疫细胞和胶质细胞，（2）融合特定区域的类器官来代表大脑中的互反神经网络，以及（3）开发具有类似于脑组织的物理性质和功能的ECM。

关于未来的发展方向，作者认为：（1）脑类器官中可灌注的功能性血管网络仍然不足。功能性脉管系统对于脑类器官的充分成熟和调节脑内稳态的血脑屏障的建立至关重要。为此，需要新的策略来促进脑类器官内适当的血管细胞来源的整合或在脑类器官内固有地发育脑血管细胞。（2）免疫系统的存在对于神经炎症和传染病的精确建模至关重要。因此，需要努力在脑类器官中正确实施免疫系统，以概括实际大脑对疾病因素和病原体的反应。（3）在不干扰类器官生长或功能的情况下检测和分析大脑功能的技术需要进步。