人类脑类器官作为一种新兴的体外模型，已经在研究人类脑发育和功能方面展现了巨大潜力。类器官源自人类多能干细胞（hPSCs），能够自组织或经过模式化形成高度富集的神经细胞聚集体，模拟中枢神经系统的多个区域，包括大脑皮层、中脑、海马体、小脑、脊髓等。这些模型不仅保留了人类的遗传特性，还能在体外环境中重现部分脑发育过程，因此成为研究正常发育和病理状况的重要工具。
然而，类器官的使用也面临着诸多挑战，特别是在模型的可靠性和可重复性方面。不同实验室使用的hPSC系、培养条件和分析方法的差异，导致类器官质量和实验结果的显著差异。此外，类器官的三维结构和细胞类型的复杂性，增加了其定量分析的难度。这些问题限制了类器官模型的广泛应用，也影响了其作为疾病模型和药物筛选工具的有效性。
为了充分发挥脑类器官的潜力，科学界提出了一系列建议，旨在建立可靠的分析方法，提高研究的严格性和可重复性。这些建议包括标准化的hPSC维护和培养条件、详细的定量分析方法，以及明确的实验报告规范。这些措施将有助于提高不同实验室之间研究结果的一致性，推动类器官技术的发展和应用。
近期，美国威斯康星大学麦迪逊分校赵新宇教授团队在Stem Cell Reports期刊发表了题为Rigor and reproducibility in human brain organoid research: Where we are and where we need to go的综述性文章，回顾了目前用于表征人类前脑皮质类器官的分析平台，并为未来的研究提出了建议，强调了未来研究的挑战性，以实现更大的准确性和一致性。
文章要点：
1) 类器官的多区域模拟能力：研究表明，类器官能够模拟大脑皮层、中脑、海马体等多个脑区。这些类器官不仅在结构上类似于相应脑区，还能在功能上显示出类似的活动，如多频振荡。
2) 疾病建模的潜力：类器官已被用于研究多种神经发育障碍和精神疾病，如自闭症谱系障碍、唐氏综合症、Rett综合症等。这些研究展示了类器官在揭示疾病机制和筛选潜在药物方面的巨大潜力。
3) 多能干细胞的广泛应用：类器官技术依赖于多能干细胞的自我更新和分化能力，这使得研究人员能够从单一细胞系中获得大量类器官，进行大规模的实验和分析。标准化的hPSC培养和维护条件，如定期测试多能性、病原体检测和遗传完整性测试，对于保证类器官的一致性和可靠性至关重要。
4) 定量分析方法的发展：为了提高类器官研究的严格性，科学家们提出了多种定量分析方法，包括细胞类型的标记和计数、类器官的体积和形态测量等。例如，使用SOX2和BCL11B标记来区分神经祖细胞和皮质板细胞，从而定量分析类器官的发育程度。
图 已用于类器官的形态学分析
总之，类器官作为一种新兴的研究工具，正在快速发展并展示出巨大的潜力。然而，为了充分发挥其优势，必须解决模型的可靠性和可重复性问题。通过标准化的培养和分析方法，以及详细的实验报告规范，类器官技术将有望在未来的生物医学研究中发挥更加重要的作用。
类器官制作流程： 1. 多能干细胞的获取与培养： 从健康或患者的组织样本中提取多能干细胞，经过重编程技术获得iPSCs（诱导多能干细胞）。 确保细胞系的多能性和遗传稳定性，进行定期的病原体检测和遗传学分析。 2. 类器官的诱导与分化（第1-2周）： 将多能干细胞置于低附着力培养皿中，形成细胞球体。 在特定的培养基中，细胞球体自发分化为神经祖细胞，并逐渐形成初级类器官结构。 3. 类器官的成熟与组织化（第3-8周）： 通过更换培养基和添加特定的生长因子，促进类器官的进一步分化和成熟。 类器官内部开始形成神经网络，显示出与人类脑发育相似的细胞类型和结构。 4. 功能分析与验证（第9周及以后）： 使用电生理记录、钙成像等技术，检测类器官中神经元的功能活动。 进行基因表达分析，验证类器官中不同细胞类型的分布和发育状态。 5. 疾病模型的建立与研究： 将患者来源的iPSCs用于类器官生成，研究特定疾病的发病机制。 通过药物筛选和基因编辑技术，寻找潜在的治疗方法和靶点。
参考文献
Sandoval SO, Cappuccio G,et al. Rigor and reproducibility in human brain organoid research: Where we are and where we need to go. Stem Cell Reports. 2024 May 10:S2213-6711(24)00114-0. doi: 10.1016/j.stemcr.2024.04.008. Epub ahead of print. PMID: 38759644.
