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人源性脊髓三叉神经核团（SpV）模型的缺失，限制了对其发育、功能、病理机制的相关研究。近日，中国科学家利用人类多能干细胞（iPSC）定向三维分化，开发出一种全新的脑类器官构建方法。相关研究成果[1]刊发在《Cell Stem Cell》（影响因子IF=19.8）上，该研究首次实现了脊髓三叉神经核团特异的人脑类器官构建，并首次完成了核团相关的脑区间连接体外模型的构建，为研究人脑核团发育、神经靶向投射及相关病理机制提供了新的模型。

三叉神经痛（trigeminal neuralgia，TN）是一种临床上最常见的神经性疼痛。目前，原发性三叉神经痛的发病机制尚不明确，仍需要学术界深入探索。

脊髓三叉神经核团（Spinal trigeminal nucleus，SpV）是位于后脑延髓部分的最大颅神经核，负责接收颅面部感觉信息并将其传递至丘脑。尽管SpV在感觉处理和调节、神经痛病因以及病原体引起的病理反应中发挥着关键作用，但目前还没有人类SpV的模型。

在过去的十年中，来自无引导的大脑类器官到通过引导分化构建的各种区域特异性脑类器官，以及更复杂的类器官，它们整合了多个谱系或大脑区域之间的相互作用（即组合体）大脑类器官代表了解开人脑生物学的前沿策略。尽管已经建立了各种区域特异性脑类器官，但概括脑核特异性特征的努力仍处于早期阶段。

近日，国内科学家在《Cell Stem Cell》上发表了最新研究论文，提出一种将人类多能干细胞（iPSC）分化为类似于后脑延髓区域的特异性脑类器官的方法。

该研究首次实现了SpV特异的人脑类器官构建，同时首次完成了核团相关的脑区间连接体外模型的构建，为研究人脑核团发育、神经靶向投射及相关病理机制提供了创新体外研究平台，为未来神经生物学和大脑疾病研究奠定实验基础。

首次建立核团特异大脑类器官

解开人脑核团发育之谜

后脑延髓包含对重要身体功能至关重要的不同核，包括各种感觉和运动功能以及呼吸、心跳和血压等自主神经功能。后脑延髓在调控众多基本生命功能中发挥着重要作用，髓质损伤会导致身体机能严重受损。

位于延髓的脊髓三叉神经核团（Spinal trigeminal nucleus, SpV）是最大的颅神经核，也是三叉神经核的关键结构，主要负责接收颅面部感觉信息并将这些信息传递至丘脑。

SpV可进一步分为三个亚核：吻侧亚核（Vo）、极间亚核（Vi）和尾侧亚核（Vc），其中Vo和Vi与触觉有关，位于延髓的Vc是负责将头部的痛觉和热觉传递至丘脑的核团，这对于维持身体的正常生理功能至关重要。

尽管它很重要，然而，针对这一区域的脑类器官模型仍然缺乏，特别是在延髓特定核团的构建方面仍为空白。

研究人员通过采用一种从静态到旋转的三维培养策略，成功地从hPSC中分化出模拟SpV的脑类器官。通过使用SMAD抑制剂、WNT激活剂CHIR99021和视黄酸（RA）的组合，诱导了hPSC向背侧-尾侧后脑区域的分化，特别是与延髓的dBLb、dBLa和dB1区域高度相似的类器官。

利用RNA测序和免疫染色技术，研究人员们验证了hmSpVO中SpV相关神经元谱系的产生，包括兴奋性和抑制性神经元，以及LBX1阳性神经元，这些发现证实了hmSpVO在模拟人类SpV方面的潜力和可靠性。

此外，研究还展示了不同hPSC系在生成hmSpVO时的一致性，为未来研究人类SpV及其相关神经回路和疾病提供了一个有力的体外模型。

△ 从hPSC生成hmSpVO

接下来，研究人员通过单细胞转录组分析揭示了hmSpVO的区域身份和谱系特异性，分析了7214个细胞在两个不同发育时间点的基因表达，并通过UMAP技术识别出五种主要的细胞类型。整合分析显示hmSpVO与人类延髓区域高度相似，特别是与SpV区域相关，且与小鼠延髓的相似性最高。

通过细胞发育轨迹分析揭示了不同细胞类型在hmSpVO发育过程中的转变，以及关键转录因子在细胞命运决定中的作用，进一步验证了hmSpVO在模拟人类SpV神经发生和关键调控因子方面的潜力。

△ hmSpVO 的单细胞转录组学分析

为了促进hmSpVO的长期生长并支持投射轴突的生长，研究人员将300微米厚的hmSpVO切片在气-液界面上进行培养。

经过长达四个月的培养，这些类器官展现出了丰富的轴突和树突结构，其中NF+轴突在类器官边缘形成了有序的轴突路径，而远离边缘的轴突和树突则呈现出随机的空间分布。培养的hmSpVO中检测到了表达LMX1B+和PAX2+的细胞，分别代表兴奋性和抑制性神经元谱系的发展。

进一步的电生理实验显示，hmSpVO能够产生自发的电活动，并且对γ-氨基丁酸（GABA）和谷氨酸受体的药物干预有反应，表明这些类器官中存在功能性的神经传递。研究证实hmSpVO在结构和功能上都经历了成熟的发育过程，为研究人类SpV及其相关疾病提供了一个有力的体外平台。

△ hmSpVO 的结构和功能开发

研究人员通过将人类多能干细胞来源的hmSpVO与丘脑类器官（hThO）融合，构建了人类融合SpV-丘脑类器官（hSTO），成功模拟了大脑中三叉神经脊束核与丘脑之间的神经回路。

通过免疫染色和逆行示踪技术，进一步证实了hmSpVO向hThO的轴突投射，并发现这些投射能够形成突触。

△ hSTO 模拟 SpV 和丘脑之间的联系

“目前尚无人源性SpV模型，这限制了对人体内SpV核团发育、功能及其病理机制的研究。因此，构建SpV类器官将为科研人员提供一个更为便捷的工具，以探索相关问题。它将为研究人类大脑提供新颖且重要的（有时甚至是唯一的）窗口。例如，如果希望在人源遗传背景下研究SpV核团，目前尚无其他有效的方法供选择。”该论文通讯作者向阳飞说。

本次研究首次实现了SpV特异的人脑类器官构建，也首次完成了核团相关的脑区间连接体外模型的构建，为研究人脑核团发育、神经靶向投射及相关病理机制提供了一个强有力的体外实验平台。尽管对SpV亚核特异性特征的理解仍有待深入，但这些发现为未来在神经生物学和疾病模型研究中的应用奠定了基础。

脑类器官模型：

人脑研究新窗口

脑科学是生命科学研究的重要领域之一，在理解人脑、干预脑疾病以及开发人工智能等方面具有重要作用。在过去，研究大脑主要借助二维细胞培养和动物模型等方式。而脑类器官的出现为探索人脑奥秘提供了新机遇。

类器官（organoid）是类似于真实器官的微型模型，通过对多能干细胞或者成体细胞进行体外三维培养，自组织形成，与人体器官结构高度相似，并能复现被模仿器官的部分功能。

近年来，类器官领域发展迅速，脑类器官已被广泛应用于研究脑发育、遗传性脑发育疾病、神经退行疾病等领域。

2024年1月，由类器官领域先驱Hans Clevers及马克西马公主儿科肿瘤学中心、Hubrecht研究所共同组成的科研团队，首次利用人类胎儿大脑组织成功衍生出在体外自组织生成的大脑类器官。[2]

△ 四张不同人类胎儿大脑器官的放大图像。不同的神经标记被染色，描绘了它们的细胞异质性和结构

他们惊讶地发现使用小块胎儿脑组织（来自皮层、前脑和脊髓等不同大脑区域），而非原始组织分解的单细胞，竟然在体外自主生成大脑类器官（FeBOs）。为研究大脑发育提供了新方法，有助于科学家深入研究大脑发育障碍、脑肿瘤等大脑发育相关疾病。

2024年5月，来自美国辛辛那提儿童医院、梅奥医学院、加州大学圣地亚哥分校的科研团队成功开发出全球首个具有全功能血脑屏障的人类“迷你大脑”。在这项最新研究[3]中科学家将一个直径3-4毫米的大脑类器官与一个直径约1毫米的血管类器官成功融合为一个直径略超4毫米（芝麻籽大小）的“球体”——人类血脑屏障类器官组装体。

△ 模拟神经血管发育的hPSC衍生的大脑类器官和血管类器官的人类血脑屏障组装体

该研究成为利用人类多能干细胞生成人类血脑屏障类器官的重大突破，有望增进科学家对多种脑部疾病（如中风、脑血管疾病、脑癌、阿尔茨海默病、亨廷顿病、帕金森病及其他神经退行性疾病）的理解并改善治疗方法，为神经系统疾病的分子病理机制研究和药物的跨血脑屏障给药检测提供了创新体外模型。

个体间的遗传变异对疾病易感性和进程的影响是医学研究的重要领域之一。

2024年6月，哈佛大学干细胞和再生生物学教授Paola Arlotta与麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所的研究人员，创造了所谓的“人脑嵌合体”（Brain Chimeroids）。通过在神经干细胞（NSC）或神经祖细胞（NPC）阶段重新聚集来自多个单供体类器官的细胞，生成人脑嵌合体，使每个供体在单个类器官中产生大脑皮质的所有细胞谱系。[4]

科学家利用多个供体的iPS细胞生成可复制、多细胞系的人脑嵌合体类器官模型，揭示了遗传基因在神经毒性触发易感性中的关键作用，有助于针对个体差异进行更精准的疾病预防和治疗。

△ 脑嵌合体的组成

综上，大脑类器官的诞生，为加速脑科学发展提供了强大的体外研究模型，也让更多大脑发育、神经退行性疾病等患者感受到个性化治疗的“福音”。目前，利用类器官技术，高度模拟复杂的大脑环境，在个体化医疗、再生医学、新药研发、脑类器官嵌合体等方面取得了众多科研成果。不仅推动了对脑发育和疾病机理的理解，还有望在药物筛选和再生医学等领域产生革命性影响，为实现未来临床前转化，提供治疗新策略带来全新方向和希望。