众所周知，大脑是人类智力的集合体，也是最复杂的器官。 人脑拥有近 1000 亿个神经元和 100 万亿个连接，由于其独特的复杂性，是最难构建类器官模型的。 自2021年“中国脑计划”正式启动以来，脑类器官技术作为世界前沿技术，为我国多种脑部疾病的基础研究和临床应用提供了重要支撑。
近日，欢特生物脑器官模型构建成功，基于胚胎干细胞（ESCS）或人诱导多能干细胞（HIPSC）的脑类器官进行人工培养和分化，其功能组织结构与大脑相似，可以部分再现人脑发育和疾病发生的过程用于模拟人脑发育和帕金森氏症、阿尔茨海默氏症、脑卒中、抑郁症等疾病的发生，以及神经系统疾病机制和药物筛选模型的研究，助力脑科学研究新纪元！
脑浆器官研究方向。
目前，随着人类诱导多能干细胞（iPSCs）技术的发展，脑类器官研究在神经科学领域热议。 作为一种新兴的研究工具，脑类器官在科学研究领域发挥着越来越重要的作用，被用于脑发育、神经发生研究、退行性疾病、肿瘤等脑部疾病等，为了解人脑和分析各种生物学和医学问题带来了希望，显示出巨大的应用潜力。 主要研究方向包括以下几个方面：
构建神经系统疾病模型。
通过构建脑类器官模型，可以在类脑组织中观察到放射胶质细胞、中间前体细胞、深部和浅层神经元，是模拟人脑生理特征的独特而优秀的工具。 因此，构建孤独症、精神障碍、阿尔茨海默病、ALS等脑类器官神经疾病模型，有助于通过模拟脑部疾病的病理过程来研究疾病的发病机制，为药物筛选和方法提供有力支撑。
药物筛选和个性化**。
脑类器官可以作为药物筛选平台，基于高通量筛选系统和分类表型指纹图谱，构建未知靶点的化合物库，测试潜在的药物化合物，评估候选药物对神经系统疾病的疗效，也可以结合基因编辑技术构建具有特定基因突变的脑类器官， 识别基因开关，并研究个性化方案。
脑发育和神经发生研究。
脑类器官可以模拟大脑发育的过程，通过融合不同的外源性脑样组织获得复杂的神经结构，探索大脑的早期发育，并将其用于大脑发育过程和神经发生、神经元分化、突触形成等过程的表观遗传学研究，从而有助于了解大脑发育的分子机制和信号通路， 研究表观遗传信号分子对胚胎期神经发育的影响，为神经系统疾病的预防发展提供理论支持。
神经再生和修复机制的研究。
脑类器官还可用于研究神经再生和修复的机制，建立神经发生、神经存活、轴突生长和钙稳态等神经机制的表型缺陷，通过模拟神经损伤后的修复过程，帮助发现促进神经再生和修复的关键因素和信号通路，为神经系统损伤的发展提供新的思路和方法。
脑浆器官如何修炼？
目前，两种类型的干细胞可用于获得类器官：多能干细胞（PSC）和组织干细胞（TSCS）。 近日，环特生物成功构建了脑类器官模型，在模拟大脑发育环境的培养基中，通过人源诱导多能干细胞（iPSCs）**分化成类似于人脑的三维组织，为研究人脑发育和功能、疾病发生、药物发现、 等。
欢特生物科技在基因编辑、类器官和斑马鱼技术服务方面拥有超过10年的经验住脑类器官相关试剂，以及我们致力于为客户进行IPSCS脑类器官构建与鉴定、前脑类器官损伤模型构建等技术技术服务使脑科学研究更加有效，事半功倍。那么，大脑类器官是如何培养的呢？
iPSCs** 脑类器官构建方法。
基于人类诱导多能干细胞（iPSCs），将iPSCs进行3D培养形成胚状体后，诱导EBs分化形成具有自我更新能力的神经祖细胞，然后进一步延伸3D培养阶段，形成更复杂的层次结构，类似于发育中的大脑皮层。
具体来说，神经祖细胞可以自组织形成连续的神经上皮细胞组织，随着这些大脑区域化结构的发展，神经祖细胞产生的神经元从生发区迁移到基底区。 这种细胞分层和神经细胞迁移与发育中的人脑非常相似。 因此，iPSCs诱导的大脑类器官是3D细胞的聚集体，它们可以自组织以重建一些内源性组织，并表现出与人脑相似的生理特征。 iPSCs的脑类器官构建**，它可以提供构建的类器官（固定类器官）、类器官明场显微镜鉴定和类器官标记物鉴定等。 原理图如下：
图1脑类器官培养不同阶段的典型明场图。
图2神经干细胞、前脑标志物和神经元标志物的典型图。
构建前脑类器官损伤模型的方法。
基于人诱导多能干细胞（iPSCs）的正常前脑类器官菌株**，构建了酒精诱导的脑类器官损伤模型和FBS诱导的脑神经损伤模型。
在正常大脑中，由于血脑屏障（BBB）的存在，脑组织不能直接接触血液中的相关物质。 在某些损伤条件下，脑组织的血脑屏障通透性发生变化，导致血液中的物质泄漏到脑组织中，从而引起脑组织中的炎症反应，并造成脑损伤。 因此，FBS可用于在体外暴露大脑类器官，以模拟这种损伤过程并找到相关方法。
SOX2是一种表征神经干性的蛋白质，在大脑发育过程中，SOX2应以莲座状结构分布，在损伤的条件下，脑器官的发育会受到干扰，影响神经干性，因此SOX2的表达可以反映大脑类器官的损伤。
在细胞凋亡中，染色体DNA双链断裂或单链断裂会产生大量的粘性3'-OH-terminus，在脱氧核糖核苷酸末端转移酶 （TDT） 存在下，将荧光素、过氧化物酶、碱性磷酸酶或生物素形成的脱氧核糖核苷酸和衍生物标记到 DNA 上3'-terminal，允许检测凋亡细胞，这种方法称为末端脱氧核苷酸转移酶介导的缺口末端标记（TUNEL）。 由于正常或增殖的细胞几乎没有 DNA 断裂，因此不存在 e3'-OH形成，很少能够染色。 因此，TUNEL染色可用于反映细胞凋亡。
通过构建前脑类器官损伤模型，对脑类器官SOX2的荧光染色和脑类器官的TUNEL染色进行评价，评价前脑类器官损伤及其发生机制。 原理图如下：
图1用酒精和 FBS 处理的脑类器官的 SOX2 荧光染色的典型图像。
图2用酒精和FBS处理的脑类器官的TUNEL染色的典型图像。
脑浆器官的前沿应用案例。
大脑是一个复杂而精密的细胞网络。 目前，随着脑类器官模型的不断完善，在自闭症、肌萎缩侧索硬化症等复杂脑部疾病的建模与研究、神经再生与修复研究、脑发育与神经发生机制研究等方面涌现出许多创新突破性研究，为脑科学和神经科学的发展提供了新的机遇。 并有望为神经系统疾病的发展和药物开发带来革命性的突破。脑类器官国际前沿应用进展如下
疾病建模和研究应用。
在疾病建模方面，脑类器官广泛用于模拟神经系统疾病，如自闭症、ALS、RTT综合征、帕金森病和阿尔茨海默病。 通过构建与疾病相关的脑类器官模型，研究人员可以更深入地了解疾病的发病机制，为药物发现和新药筛选提供有力的工具。
孤独症：2023年10月，来自奥地利和瑞士的科学家在《自然》杂志上发表了一份报告（影响因子=64）。8）发表最新研究**，率先整合人脑类器官、单细胞基因测序和基因编辑技术，从而在人脑类器官单细胞水平上实现对形成自闭症发育缺陷的基因突变和细胞类型的高通量、高精度、高鲁棒性综合检测，为研究最复杂的脑部疾病带来新的希望。
肌萎缩侧索硬化症：运动神经元的损伤可导致肌肉正常收缩，影响身体的运动能力，“ALS”就是其中的代表之一。 斯坦福大学的一个研究小组首次成功地生成了负责自主运动的人类神经回路的三维模型。 他们使用iPSC技术生成了三种类型的器官——大脑皮层、脊髓和骨骼肌——并将它们自行“组装”在培养皿中，为ALS开辟了新的视角**。 
该图显示了 PSC 衍生的人类大脑皮层运动类器官组装。
RTT综合征：RTT综合征是一种严重影响儿童精神运动发育的疾病，其**是X染色体上MECP2基因的突变。 由于缺乏有效的方法，以及传统的2D和3D培养细胞无法表征疾病，研究人员使用脑类器官模型进行研究。 通过分别培养来自大脑不同区域的脑类器官，并将这些类器官与高分辨率MEA相结合进行检测，将有助于更好地了解RTT综合征的发病机制，并为未来的**提供线索。
寨卡病毒：研究人员利用脑类器官揭示了寨卡病毒引起的先天性颅骨缺损（小头畸形）的致病机制，发现人类神经祖细胞是寨卡病毒的直接靶点，并利用脑类器官模型进行药物筛选，发现了一种最具潜力的小分子抑制剂。 这为寨卡病毒提供了一种新的候选药物。
在药物筛选和个性化中的应用**。
自脑类器官技术诞生以来，从患者诱导多能干细胞（iPSCs）中分化出来的人脑类器官**，作为研究人类地方性脑病机制的优秀模型，在药物筛选、临床前检测和个性化方面具有广阔的前景。
2021年的一项研究表明，患有唐氏综合症的人脑类器官存在皮质发育缺陷，可以通过干扰DSCAM基因表达和抑制下游分子PAK1来挽救。 这样，体外诱导的人脑类器官不仅可以用于疾病，还可以成为疾病程序筛选的良好工具，为研究神经系统疾病的研究人员提供了人源化模型。
近日，斯坦福大学神经科学家帕斯卡带领他的团队在国际顶级期刊《自然》上发表了一篇关于大脑类器官的新研究文章。 在这项研究中，研究人员将人类多能干细胞诱导分化为大脑皮层类器官，并将其原位移植到新生无胸腺大鼠的体感皮层中，以构建人鼠杂交脑类器官T-HCO。 这种类器官不仅可以在大鼠体内正常生长并表现出正常的大脑生理机能，而且还参与控制行为的大脑神经回路。 本研究为脑神经退行性疾病的研究和新药的开发提供了新的策略。
此外，已经表明大脑类器官对已建立的抗棱镜蛋白化合物有反应，并且它们作为药物筛选模型具有巨大的潜力。
在大脑发育研究中的应用。
2024 年 1 月 8 日，荷兰 Princess Máxima 儿科肿瘤中心的研究人员等人开辟了一种全新的方法，直接从人类胎儿的脑组织中开发大脑类器官，为研究与大脑发育相关的疾病（包括脑肿瘤）的发展和**提供了有价值的手段。 该研究发表在《细胞》杂志上，标题为《人类胎儿大脑自组织成长期扩展的类器官》。
在这项研究中，研究人员发现，健康的人类胎儿脑组织在体外自组织成类器官（febos），表现出与体内细胞相似的异质性和复杂组织。 Febos 的生长是维持组织完整性所必需的，这保证了组织细胞外基质 （ECM） 生态位的产生，最终使 Febos 具有扩增的能力。 利用CRISPR-Cas9基因编辑技术，研究人员还展示了用于脑癌研究的同基因突变Febos细胞系的产生。
*：将人胎脑自组织成长期扩增的类器官在神经再生和修复研究中的应用。
脑类器官在神经再生和修复的研究中也发挥着重要作用。 研究人员利用脑类器官模型研究神经干细胞的分化、迁移和突触形成，为神经再生医学提供了新的思路和方法。
2023年11月，新加坡国立大学的Florent Ginhoux团队在《自然》杂志上发表了一篇报告（影响因子：IF=64）。8）发表最新研究成果，通过脑类器官揭示小胶质细胞在人脑发育中的作用。本研究将多能干细胞**的巨噬细胞与脑类器官共培养，以模拟胚胎小胶质细胞的特征，胚胎小胶质细胞可以合成胆固醇并将其储存在脂滴中，脂滴可被神经元前体细胞吸收，影响神经元前体细胞的成熟和分化。 脑类器官为未来的神经科学研究和神经系统疾病提供了一个强大的模型。
*：IPS-细胞衍生的小胶质细胞通过胆固醇转移促进脑类器官成熟近年来，随着类器官技术的不断发展，为疾病**、新药研发、机理研究提供了新的可能性。 依托斑马鱼+哺乳动物+类器官+基因编辑4大技术平台，立足近10年持续技术创新实践，以专业前沿的技术服务解决方案，帮助科研人员在类器官技术应用和科研上取得更多突破，共同探索更多未知，开创脑科学研究新时代！