人脑是体内最精密、复杂的器官之一，深入研究大脑构造，攻克脑部疾病问题一直是科学家们孜孜以求的课题。

人类血脑屏障（human blood brain barrier，简称hBBB）是一种高度特化的结构，可调节血液和中枢神经系统之间的物质通透。功能正常的血脑屏障可以阻挡有害物质进入大脑，从而维持大脑功能的正常运转。不过，该屏障也阻止了许多潜在的有益药物进入大脑。此外，当血脑屏障发育不良或出现破裂时，会导致或恶化多种神经系统疾病。

目前，用于研究hBBB的动物模型并不能准确反映人类大脑发育和血脑屏障的功能，缺乏可靠的人类血脑屏障模型成为研究神经系统疾病的一大障碍。

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。

△ 人类血脑屏障类器官组装体的生物工程学构建过程

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，实验成功模拟人类神经血管发育过程，并在不断生长的功能性脑组织中复制血脑屏障的真实结构，还揭示了神经-血管间的相互作用。

△ 世界首个具有全功能血脑屏障的类器官组装体，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

这一成果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，为深入探究人脑疾病的分子与细胞病理学机制提供了崭新视角。

首个具有全功能的

人类血脑屏障类器官组织体诞生

人体中枢神经系统（CNS）由大脑和脊髓组成，是神经系统的核心部分。

在中枢神经系统发育过程中，随着中胚层来源的血管母细胞侵入神经上皮区域，从而形成血管网络。在这个新生网络中，内皮细胞（ECs）会经历一个逐步的重塑过程，期间募集周细胞和星形胶质细胞（Asts）为内皮细胞提供信号指导，使其获得血脑屏障（BBB）内皮细胞特异性。

由于血管化和血脑屏障成熟对CNS功能至关重要，因此该过程的任何中断或脑血管和BBB功能的任何破坏都可能导致神经系统疾病，其中就包括脑海绵状血管瘤（CCMs）。这是一种常见的遗传性脑血管疾病，会导致儿童、青少年和年轻人中风和神经缺陷，目前尚缺乏有效的治疗方法。

尽管脑内皮细胞中有条件地敲除CCM基因的小鼠模型可以重现病变表型，并揭示CCM基因功能丧失（LOF）与病变负担之间的相关性，但是，它们在模拟人类血脑屏障（hBBB）的独特生理学方面存在明显不足。具体而言，hBBB的分子特征和功能特性与啮齿类动物模型有很大不同，与小鼠相比，通常被认为具有更高的药物渗透性，且临床前CNS药物临床试验失败率更高。因此，迫切需要创新的人类血脑屏障研究模型，以推进相关疾病建模及临床前转化研究。

随着干细胞生物工程技术的不断推进，科学家们开发出了一个基于人类多能干细胞的创新研究平台，将研究控制BBB功能和功能失调的复杂机制推上了新的阶段。

近日，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联合引领了一个创新科研项目。他们首次成功制造出具有人类血脑屏障全功能的“迷你大脑”，并将该研究模型命名为“血脑屏障类器官组装体”（BBB assembloids）。

△ 本研究论文的图形摘要

研究团队使用了一系列患者来源的iPSC创建了准确再现人脑海绵状血管畸形特征的类器官组装体。其中模拟人脑组织的脑类器官直径约3-4mm，模拟血管结构的血管类器官直径约1mm，二者在大约1个月的时间内融合成一个直径略超4mm的“球体”，即“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

研究过程中，研究人员发现这个“球体”可以模拟hBBB的特征，表现为特异性的紧密连接形成、BBB特异性转运蛋白的表达。他们还观察到内皮细胞窗孔减少、周细胞突起和星形胶质细胞足突、特征性转录程序，及表明具有低渗透性的跨内皮电阻增加等。

此外，研究人员还从携带CCM1基因功能丧失（LOF）突变的患者中生成了iPSCs。当从这些脑海绵状血管瘤（CCMs）的iPSCs中衍生出hBBB类器官组装体时，研究人员观察到扩大的内皮通道的聚集，类似于体内海绵状血管瘤表型。

△ 血脑屏障组合体概括了体内人血脑屏障的分子、细胞、功能和转录组学特征

单细胞转录组分析揭示了与CCM相关的血管生成、受损的神经血管相互作用及壁细胞发育轨迹的改变，这表明脑海绵状血管瘤（CCMs）的潜在分子和细胞病理。

△ 使用患者来源的 BBB 组合体对 CCM 进行建模

总体而言，这次创新实验成功合成首个人类血脑屏障类器官组装体，它不仅包括完整的神经血管单元，而且可以系统模拟BBB的关键分子、细胞、解剖学、功能和转录组学特征。研究人员还在神经-血管共同发育中捕获了更复杂的脑血管化过程。

鉴于人类神经血管发育在三维空间中完整呈现，hBBB组装体准确、真实的模拟了体内hBBB的复杂系统，与CCM中的体内病变表型一致，这对于研究人类疾病中的血脑屏障病理学和靶向血脑屏障药物开发具有极高应用价值。科学家凭借这个在人体内忠实且具有潜在高度可扩展性的CCM模型，未来有望通过高通量筛选以确定CCM的候选治疗药物。

人类血脑屏障组装体研究平台或将成为中枢神经系统药物开发的革命性工具。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，为深入探究人脑疾病的分子与细胞病理学机制提供了崭新视角。

颠覆神经系统药物开发路径

开创脑部疾病治疗研究新范式

类器官的出现，尤其是人脑类器官技术的不断纯熟，为人类研究大脑发育及相关脑部疾病的病理机制提供了绝佳的体外模型，在疾病建模、药物研发和疾病治疗等领域发挥出巨大潜力。

尤其是在模拟多种神经发育疾病和神经退行性疾病的发病机制提供了重要的实验模型，人脑类器官的研究有助于推动神经组织再生和修复策略的开发，为治疗神经损伤和退行性疾病提供了新思路。

通过类器官这种高通量筛选平台，不仅可以快速测试药物对特定疾病模型的影响，从而加速药物的开发过程；而且可以用于评估药物的安全性和有效性，减少药物开发过程中的不确定风险因素，有利于提高药物进入临床试验阶段的成功率。

2020年，斯坦福大学神经科学家Sergiu Pasca教授及其研究团队首次成功生成了一个负责自主运动的人类神经回路的三维模型。[2]

他们利用iPSC技术产生三种类器官——大脑皮层、脊髓和骨骼肌，并将它们在培养皿里自行“组装”起来。实验表明，这个类器官“组装体”有效模拟了人类大脑的发育，并通过其非凡的自组装能力，使得类器官在真实的有机体中连接起来。

△ 大脑皮层、脊髓和骨骼肌类器官组装体在体外的“组装”过程

这个创新模型可以用来深入了解皮质-脊髓-肌肉回路的进化、发展和障碍，形成用于理解人类大脑发育和疾病的功能性回路，有望为研究治疗肌萎缩性侧索硬化症（ALS，俗称“渐冻症”）等神经性疾病提供更多新策略和见解。

过往的大脑类器官模型已经在一定程度上弥补了人脑胚胎模型的缺失及伦理学问题，但是大脑是人体最为复杂的器官之一，科学家对大脑神经发育的研究依然极具挑战。在神经发育障碍的研究中，科学家们已经发现，至少有500个基因与神经发育障碍有关，但这些基因的缺陷究竟是如何损害大脑功能的，目前仍不得而知。

2023年，斯坦福大学神经科学家Sergiu Pasca教授及其研究团队在《Nature》发表最新研究论文[3]，他们利用升级的大脑类器官组装体模型与先进的CRISPR基因筛选技术，深入揭示神经发育性疾病的致病基因，揭秘了大脑发育的奥秘。

△ 对神经发育性疾病相关基因的CRISPR筛选揭示了调控人类抑制性神经元生成与迁移的基因

科研人员利用这个创新研究平台，系统揭示了425个神经发育障碍相关基因在抑制性神经元发育中的作用，表明神经发育障碍相关基因映射到人脑发育并揭示疾病机制的能力。

综上，人脑类器官技术的发展促进了神经生物学、药理学、生物工程和生物信息学等多学科的交叉融合，大大提升了在药物研发领域的创新和效率，为个体化医疗和再生医学的发展提供了新的可能性。随着未来类器官技术的不断进步和优化，预计将在医药研发和疾病治疗过程中发挥更为重要的作用。