摘要：在探索大脑奥秘的征途中，科学家们一直在寻找更精准的模型来模拟复杂的神经网络。帕金森病（PD），作为一种常见的神经退行性疾病，给无数患者带来了痛苦。

在探索大脑奥秘的征途中，科学家们一直在寻找更精准的模型来模拟复杂的神经网络。帕金森病（PD），作为一种常见的神经退行性疾病，给无数患者带来了痛苦。

然而，传统的研究方法，无论是二维细胞培养还是动物模型，都难以完全复现人类大脑中多巴胺能（DA）神经元的复杂环境。

如今，一项前沿技术——中脑类器官，正在悄然改变这一局面。它不仅能够模拟大脑的三维结构，还能重现DA神经元的发育过程和疾病特征，帮助我们深入理解PD的发病机制，为未来的治疗提供新的思路。

让我们一起走进中脑类器官的世界，探索这项技术如何为神经科学研究带来新的突破。

文章介绍

题目：人中脑类器官在多巴胺能系统建模中的进展、挑战与机遇

杂志：EMBO Journal

影响因子：8.3

发表时间：2025年7月

#1

研究背景

Background

DA神经元对运动、认知和情绪调节至关重要，其功能障碍与PD等神经退行性疾病密切相关。中脑腹侧区域（VM）是这些神经元的主要来源，研究其发育和疾病机制对理解PD病理生理学极为重要。

传统的二维细胞培养和动物模型在模拟人类大脑复杂性方面存在局限性，无法完全再现DA神经元的发育和功能。

近年来，三维脑类器官技术利用人多能干细胞（hPSC）的自组织能力，能够更准确地模拟大脑发育和疾病过程。

本综述总结了中脑类器官技术的最新进展，探讨其在DA系统建模中的应用，并分析当前面临的挑战和未来的发展机遇。

通过整合单细胞测序技术和生物工程方法，进一步优化中脑类器官模型，使其能够更准确地模拟DA神经元的发育、功能和疾病相关病理特征，为PD的机制研究、药物筛选和细胞治疗提供更有力的工具，推动神经科学和再生医学的发展。

#2

研究结果

Methods

1. 体外和体内的桥接：人脑类器官的兴起

过去20年，2D贴壁培养凭简单、可控、易基因操作，成为诱导DA神经元的金标准，但缺乏空间复杂度。

如今，3D脑类器官借干细胞自组织，长出多层脑结构，可长期培养并成熟回路，弥补2D与真实大脑之间的鸿沟。

早期的“无导向”培养方案依赖细胞自模式化，后期的“引导”策略加入外源因子，定向生成功能更一致的中脑等区域特异性类器官，为PD等疾病研究提供更贴近人体的新平台（图1）。

图1（A）发育过程中和成人大脑中人类腹侧中脑（VM）示意图。发育中的VM的冠状部分（底部）分为三个不同的区域：室区（VZ）、中间区（IZ）和地幔区（MZ）。DA祖细胞首先径向迁移到MZ，然后切向迁移，同时成熟为DA神经元。关键VM决定因素的梯度用不同的颜色表示（WNT蓝色、FGF8绿色、SHH黄色）。在成人中脑中，突出显示了DA神经元填充的细胞核及其投射模式；内侧腹侧被盖区（VTA），容纳投射到伏隔核和皮质区域（蓝色）的A10 DA神经元，以及更横向的黑质致密部（SNpc），A9 DA神经元从那里投射到纹状体的背外侧部分（红色）。（B）VM模式类器官生成的逐步说明。人多能干细胞的均质培养首先通过低附着锥形孔中的双重SMAD抑制诱导神经元命运。随后通过激活WNT和SHH通路实现朝向VM的模式化，并通过暴露于FGF8进行细化。嵌入细胞外基质模拟物质（如基质胶）有利于VM类器官的成熟。

2. 利用腹侧中脑类器官模拟中脑发育

最新方法通过调节SMAD蛋白抑制TGF-β和BMP信号，结合SHH和WNT信号诱导LMX1A+/FOXA2+/OTX2+底板祖细胞，建立VM区域身份，进而分化为功能成熟的DA神经元。

单细胞技术揭示了DA神经元的A9和A10亚型。然而，体外与体内细胞存在差异，需建立明确标准。胎儿VM类器官的单细胞RNA测序为定义真实DA神经元提供了参考。

研究还需进一步揭示DA神经元亚型的发育机制，以推动PD等疾病的治疗策略。此外，中脑类器官需整合神经胶质细胞和血管化，以构建更完整的中脑模型（图2A）。

图2（A）VM类器官主要用于研究源自hPSC或iPSC的DA神经元的发育，模拟PD相关特征，以及药物筛选应用。（B）先进的基于类器官的模型结合了生物工程技术和多系或多区域方法，例如将VM类器官与纹状体（STR）模式培养物整合，以更好地模拟大脑回路。

3. 利用腹侧中脑类器官建立疾病模型

PD是第二常见的神经退行性疾病，以DA神经元的进行性丧失为特征。目前的治疗方法只能缓解运动症状，无法再生大脑或阻止疾病进展。

近年来，利用人类细胞培养系统（如hESC、iPSC、脑类器官等）来研究PD的病因和进展受到关注。

中脑类器官在模拟DA神经元发育和PD方面取得显著进展，尤其是通过细胞重编程技术从PD患者中产生的iPSC分化为DA神经元，为疾病建模提供了强大平台。

研究表明，携带LRRK2-G2019S突变的PD患者中脑类器官能够重现关键疾病表型，包括α-Syn聚集、线粒体自噬增加和神经发育缺陷。然而，iPSC衍生类器官的遗传背景、内在变异性及重编程过程中的细胞再生仍是挑战。

尽管如此，VM类器官在PD建模中具有重要价值，尤其是在理解遗传易感性和早期细胞功能障碍方面。

未来需要进一步改进VM类器官，以更好地模拟与年龄相关的病理特征，如神经炎症和氧化应激，从而为PD研究提供更全面的模型（图2A）。

4. 腹侧中脑类器官的药物筛选

神经退行性疾病和精神障碍病因复杂，难以用传统动物模型完全模拟。非人类灵长类动物模型虽更接近人类，但成本高且涉及伦理问题。2D细胞培养在模拟细胞间相互作用和复杂结构方面存在局限性。

相比之下，脑类器官，尤其是由患者特异性iPSC生成的类器官，能再现三维细胞环境，更适合药物筛选。类器官模型为评估药物反应和作用机制提供了更相关的平台，并支持个性化医疗方法。

此外，类器官在神经精神疾病的药物筛选中也显示出巨大潜力，尤其是考虑到DA神经元在认知功能中的关键作用。

自动化中脑类器官平台已实现高通量、单细胞级药效评估，这一进展通过RNA测序和高含量定量成像等技术得到了验证，为复杂3D细胞环境中的药物效应评估提供了精确方法（图3A）。

图3（A）单细胞组学（转录组学、代谢组学、蛋白质组学）能够对DA祖细胞和神经元进行详细分析，并取得了空间整合和通过可遗传条形码重建谱系等进步。（B）源自VM模式类器官，人或啮齿动物大脑的DA神经元允许进行转录组学比较。

5. 中脑类器官研究的挑战与进展

5.1 腹侧中脑类器官培养的生物工程方法

支架支持的脑类器官是生成成熟神经元的有希望的方法。医用级碳纤维支架在hPSC DA神经元分化方面比PLGA共聚物支架更高效，其物理化学性质使其成为创建VM类器官模型的合适结构。

丝微纤维支架可增强VM类器官功能，促进DA神经元均匀生成。旋转生物反应器通过改善营养和氧气扩散，减少类器官内核细胞死亡。生物工程和生物制造平台如PDMS软光刻和3D打印旋转生物反应器也促进了脑类器官培养的进步。

最近的研究描述了一种3D打印管道，用于制造量身定制的培养平台，加快了所有培养步骤，无需类器官操作或转移。此外，多感官集成器官芯片平台显示微流体培养减少了坏死核心的形成。

这些进展不仅提高了组织生成的效率，而且为PD建模提供了新的系统（图2B）。

5.2 多谱系腹侧中脑类器官的产生

神经元的功能是通过与各种细胞类型的相互作用而形成的，但现有的VM类器官模型缺乏小胶质细胞和功能性血管细胞，限制了对大脑环境的全面模拟。

为克服这一限制，研究者们正在努力将多种胚层衍生成分整合到脑类器官系统中。例如，Soler等人的研究成功将hPSC分化的小胶质细胞整合到VM类器官中，发现小胶质细胞在突触重塑中发挥关键作用。

此外，脑血管类器官与脑类器官的融合也取得了进展，形成了类似血脑屏障的结构，为研究神经退行性疾病提供了更完整的模型。

未来的研究可能会进一步探索微生物衍生代谢物在类器官系统中的作用，以模拟PD中的肠-脑轴，从而更全面地理解PD的病理生理学（图2B）。

5.3 脑类器官移植

脑类器官因缺乏血管和小胶质细胞，难以完全模拟人脑微环境。为解决此问题，研究者将人脑类器官移植到啮齿动物大脑中，成功实现了神经元分化、胶质细胞形成、小胶质细胞整合及轴突生长。

移植后的类器官在宿主大脑中表现出进行性成熟，与宿主神经回路功能整合，甚至在PD小鼠模型中恢复运动功能。这种体内移植方法为疾病建模提供了更生理的条件，有助于研究神经元成熟、神经支配和衰老。

然而，移植研究也面临挑战，如跨物种差异和复杂性。尽管如此，类器官移植为测试PD治疗方法和推进神经变性理解提供了强大工具（图2B）。

5.4 多区域脑类器官系统

重建大脑类器官内脑区细胞间相互作用和神经元轴突投射模式是当前研究的挑战。一种前沿的3D培养方法是通过生成和融合具有不同区域特征的类器官（组装体）来解决这一问题。

该方法已成功模拟皮层间神经元迁移，克服了脑类器官缺乏解剖学参考的局限性，允许研究大脑区域间的孤立相互作用，如黑质纹状体通路。

此外，由患者细胞或转基因细胞系形成的组装体还可作为研究疾病特征的模型，例如蒂莫西综合征和费伦-麦克德米综合征。

这些组装体为复杂的细胞相互作用和疾病机制提供了见解，提高了对神经发育和神经退行性疾病的理解，并为潜在的治疗策略和药物测试铺平了道路。

#3

研究结论

Results

中脑类器官技术的出现，为研究PD等神经退行性疾病带来了新的曙光。通过模拟大脑的三维结构和细胞相互作用，科学家们能够更真实地重现DA神经元的发育过程和疾病特征。这不仅有助于深入理解PD的发病机制，还为开发更有效的治疗方法提供了新的平台。

尽管目前的技术已经取得了显著进展，但仍有挑战需要克服。例如，如何进一步提高类器官的成熟度和功能整合，以及如何更好地模拟大脑的复杂微环境，都是未来研究的重点方向。此外，通过单细胞测序等先进技术，科学家们正在努力揭示DA神经元的分子特征，以期开发出更精准的治疗策略。

总之，中脑类器官技术的发展不仅为PD的研究带来了新的希望，也为整个神经科学领域开辟了新的研究途径。未来，随着技术的不断进步，我们有望在PD的治疗上取得更大的突破，为患者带来更多的福音。

参考文献

Fiorenzano A, Sozzi E, Kastli R, Iazzetta MR, Bruzelius A, Arlotta P, Parmar M. Advances, challenges, and opportunities of human midbrain organoids for modelling of the dopaminergic system. EMBO J. 2025 Jul 2. doi: 10.1038/s44318-025-00494-1.

来源：培养盒守护者