大腦類器官模型在精神疾病研究中的現(xiàn)狀及展望☆

黃兢 劉方琨 唐慧 伍海姍李樂華 陳晉東

精神疾病是常見的病因復雜、發(fā)病率高、多基因遺傳疾病，造成了極大的經濟負擔和社會負擔。目前各種體內外模型已廣泛用于研究精神疾病的病因學機制和精神藥物相關研究。然而，由于精神疾病的復雜性，如何選用合適的模型從結構、細胞和蛋白水平更好地研究精神障礙的發(fā)病機制和藥物作用，具有重要的臨床意義[1]。大腦類器官（cerebral organoids）是由干細胞定向誘導分化形成的大腦皮質結構，可一定程度上在體外模擬人類胚胎早期大腦的發(fā)育過程和結構特點，在研究精神疾病的起源和病理學、藥物篩選和基因改造方面顯示了很大潛力[2]。本綜述對大腦類器官在精神醫(yī)學的研究進展與局限性進行探討，并對大腦類器官未來的發(fā)展和應用進行評估與展望。

1 大腦類器官模型的建立與研究進展

自1981年研究人員從小鼠囊胚的內細胞團中分離出胚胎干細胞[3]，干細胞技術在近幾十年來快速發(fā)展，實現(xiàn)了人類大腦類器官的體外培養(yǎng)。1998年THOMSON等[4]成功分離出人胚胎干細胞，并將其進一步分化得到各種類型的組織細胞，包括神經上皮和胚胎神經節(jié)細胞等。2007年，TAKAHASHI等[5]在已分化成熟的體細胞中轉入Oct3/4（Pou5f1）、Sox2、Klf4和c-myc等 4個關鍵轉錄因子進行重編程，使其回到多能性狀態(tài)，得到人誘導多能干細胞（human induced pluripotent stem cells，hiPSCs）。 與胚胎干細胞相比，hiPSCs取材方便，來源廣泛，可以取材于患者的體細胞，避免了倫理問題和免疫排斥反應，為個體精準治療提供了新的途徑。最早用于大腦研究的體外模型是擬胚體（embryoid bodie，EB）來源的神經玫瑰花結（neural rosettes，NR）。神經玫瑰花結是hiPSCs分化為大腦類器官過程中出現(xiàn)的一種類似人體神經管結構，是各種神經細胞分化的基礎。hiPSCs技術進一步發(fā)展促進了誘導多能干細胞神經球體和三維神經上皮組織的產生，它們能夠在一定程度上反映人類大腦的基因學特點，但是它們沒有形成完整、復雜的大腦結構，也缺少大腦不同亞區(qū)之間的協(xié)調作用[6]。

2013年，LANCASTER等[7]首次利用 hiPSCs定向誘導分化形成大腦類器官，并用于小頭畸形研究。他們將hiPSCs定向誘導分化，產生具有內、中、外三個胚層的擬胚體結構，隨后經過神經外胚層、神經上皮層，最后形成類似早期胚胎期大腦皮質的結構，能一定程度上反映人體早期胚胎期大腦的發(fā)育過程[8]。該團隊還發(fā)現(xiàn)，小頭畸形大腦類器官的大小、神經膠質細胞的數目和分布與正常大腦類器官相比，有顯著區(qū)別[7]。DANG等[9]對類器官進行RNA測序發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)至第30天的大腦類器官與孕8～9周的人類胎兒大腦標本基因表達譜十分相似。與動物模型和細胞培養(yǎng)等研究手段相比，大腦類器官可以在一定程度上體外模擬人類胚胎早期大腦的發(fā)育過程和結構特點，并能較好地保持人體特異性基因型和蛋白表達水平，有很大的臨床應用價值[2]。基因編輯工具進步，如規(guī)律間隔成簇短回文重復序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats，CRISPR）、轉錄激活樣因子核酸酶技術（transcription activator-like effectors nucleases，TALENs）、 鋅指核酸酶 （zincfinger nucleases，ZFN）等可以實現(xiàn)對任意基因序列的精準編輯。這些基因編輯技術在大腦類器官模型中應用，為疾病基因突變分析、目標基因修復以及遺傳風險基因研究等提供了更有效的平臺。

大腦類器官作為大腦疾病體外模型已廣泛應用于多個研究中。研究人員可以直接將患者的體細胞重編程為hiPSCs，最終得到具有患者遺傳背景的大腦類器官。通過這種人體細胞來源的神經組織模型，人們可以精確地分析不同神經精神疾病受到影響的大腦區(qū)域和細胞類型，并進行基因學分析和機制探討。大腦類器官隨后被應用于中樞神經系統(tǒng)疾病的研究，如大腦發(fā)育疾病、感染性疾病、癲癇、中樞神經系統(tǒng)腫瘤等[10-14]。大腦類器官模型的進一步優(yōu)化以及與其它生物調控技術等結合也促進其進一步發(fā)展和在臨床中應用。

2 大腦類器官模型在精神疾病研究中的應用

動物模型是研究精神疾病病因學和藥理學的重要手段，它們在研究精神疾病的單基因突變以及發(fā)現(xiàn)藥物新靶點方面具有非常重要的意義。然而，由于精神疾病的復雜性，且動物缺乏人類遺傳特性和某些人類特有的大腦區(qū)域，很難利用動物模型從結構、細胞和蛋白水平研究精神障礙的發(fā)病機制和藥物作用[1]。非人類靈長類動物模型和人類腦組織模型的資源匱乏和倫理問題，限制了精神疾病研究的發(fā)展。

大腦類器官作為一種新興的體外模型，在精神疾病研究中發(fā)揮了重要作用。精神分裂癥是高度遺傳的精神障礙，基于精神分裂癥患者的DNA全基因組測序的研究發(fā)現(xiàn)15q11.2基因拷貝數變異是其危險因素之一[15-16]。YOON等[17]比較具有15q11.2拷貝數微缺失與未缺失的iPSCs來源人類神經前體細胞發(fā)現(xiàn)，15q11.2拷貝數微缺失可以導致神經前體細胞粘著連接和頂端極性缺陷。進一步研究和基因分析發(fā)現(xiàn)，CYFIP1和WAVE信號通路的上位相互作用可能通過影響神經干細胞功能來增加神經精神疾病的易感性[17]。研究人員同時也用大腦類器官研究與精神疾病相關的其他常見遺傳突變。精神分裂癥斷裂基因1（disrupted-in-schizophrenia 1，DISC1）是包括精神分裂癥、抑郁癥和雙相障礙等很多精神疾病的潛在易感基因，盡管對DISC1的研究眾多，DISC1蛋白如何與其他蛋白發(fā)生相互作用從而影響大腦功能卻鮮有報道[18]。研究人員將攜帶DISC1突變精神分裂癥患者的多能干細胞誘導分化為大腦類器官，發(fā)現(xiàn)了重要結果：DISC1和核分布蛋白類nudE因子 1 （nuclear distribution protein nudE-like 1，NDEL1）結合能夠調節(jié)神經干細胞的分裂，DISC1突變導致精神分裂癥患者的神經細胞分裂遲滯[19]。SRIKANTH等[20]在此基礎上利用TALEN技術得到DISC1突變的大腦類器官，發(fā)現(xiàn)這些類器官與正常對照組相比，有著明顯的形態(tài)結構和增殖異常。進一步研究發(fā)現(xiàn)，加用WNT信號通路抑制劑可以逆轉DISC1突變導致的結構和增殖異常，揭示了DISC1突變、WNT信號通路和精神分裂癥的潛在聯(lián)系。

大腦類器官在孤獨癥研究中也取得了一定進展。比較孤獨癥患者及其家屬iPSCs誘導分化而來的端腦類器官發(fā)現(xiàn)，孤獨癥患者的類器官并沒有出現(xiàn)組織結構和神經元興奮性異常。全基因組測序分析提示：孤獨癥患者的類器官細胞周期增快，且 γ-氨基丁酸 （γ-aminobutyric acid，GABA）能抑制性神經元增多。隨后的基因干預研究證實，F(xiàn)OXG1過表達是導致GABA能抑制性神經元增多的原因，并與孤獨癥疾病進展及癥狀嚴重程度相關[21]。

同精神分裂癥與孤獨癥一樣，雙相障礙也是病因復雜的遺傳疾病，遺傳率高達80%[6，22]。大腦類器官模型也運用到了雙相障礙的研究中，以探討大腦發(fā)育過程紊亂和疾病發(fā)生的關系。MADISON等[23]比較雙相障礙患者與其家屬大腦類器官分化早期的神經前體細胞發(fā)現(xiàn)，患者神經前體細胞的CXCR4表達明顯增高。對患者的神經前體細胞使用抑制劑糖原合成酶激酶-3（glycogen synthase kinase 3，GSK-3）發(fā)現(xiàn)，神經前體細胞的發(fā)育異常可以被修復[23]。

大腦類器官模型在藥物對胚胎早期大腦發(fā)育及機制研究方面也顯示了很大潛力。WANG等[24]和ZHU等[25]利用大腦類器官模型發(fā)現(xiàn)酒精和尼古丁等可能導致神經分化和腦區(qū)形成異常。我們之前的研究也發(fā)現(xiàn)單胺氧化酶抑制劑反苯環(huán)丙胺（tranylcypromine）能抑制大腦類器官體外神經組織增殖，并降低神經元細胞和星形膠質細胞數目，以及組蛋白去甲基化相關基因的表達，如賴氨酸去甲基化酶1（lysine specific demethylase 1，LSD1）和二甲基化組蛋白（dimethylated H3K4，H3-di-K4）等[26]。

除此之外，研究人員嘗試培養(yǎng)特定腦區(qū)的類器官以進行精神疾病相關研究，如海馬類器官、中腦類器官、丘腦類器官等。XIANG等[27]成功培養(yǎng)與精神疾病密切關聯(lián)的丘腦類器官，甚至將丘腦類器官和額皮質類器官融合培養(yǎng)以研究精神疾病的起因。

3 大腦類器官模型的不足與展望

HiPSCs細胞誘導形成神經元、神經膠質細胞以及大腦類器官的成功建立，為神經系統(tǒng)疾病模型帶來了新的方向。然而，大腦類器官在精神科研究領域應用目前仍較少，而且存在一些問題和局限性，需要進一步研究和改進。

首先，將人體細胞誘導為hiPSCs有較高的技術要求，在成纖維細胞重編程為干細胞的過程中，可能出現(xiàn)細胞基因結構變異，如拷貝數增加、染色體異常和點突變等，影響誘導后的干細胞基因穩(wěn)定性[28-29]。因此，重編程后的hiPSCs難以完全準確反映患者的遺傳特點。基因編輯技術的發(fā)展，在一定程度上可以實現(xiàn)特定基因的點突變，得到穩(wěn)定、可誘導特定疾病模型的干細胞[28]。另外，如何長期穩(wěn)定地培養(yǎng)已分化成熟的大腦類器官仍是一大難題。目前，大腦類器官系統(tǒng)僅限于實驗室研究，其他器官的干細胞培養(yǎng)已逐漸轉向應用于移植治療，如何將大腦類器官系統(tǒng)用于臨床，需要更深入的研究。

大腦類器官已經應用于多種神經精神疾病的模型構建，并且取得了一些突破性的進展。來源于患者皮膚細胞、膠質細胞和單核細胞等細胞經重編程得到的多能干細胞，可以誘導分化為有特定基因變異的疾病模型，也可用于靶向藥物篩選等。然而，精神疾病是多個致病基因和外界環(huán)境交互作用導致的，完善的機制研究和模型構建需要聯(lián)合大腦類器官模型和動物模型共同實現(xiàn)[29]。

越來越多的研究發(fā)現(xiàn)很多精神疾病可能是多個發(fā)育進程紊亂導致的大腦發(fā)育異常和環(huán)路異常，如神經元和膠質細胞數量的改變，大腦細胞特定腦區(qū)的遷移以及準確合適的突觸電生理活動等[30-32]。大腦類器官模型可以為研究精神疾病的起源和病理學提供一個新的體外模型，在分子和細胞水平研究精神疾病相關遺傳變異對人類大腦發(fā)育和功能的影響。

除此之外，大腦類器官模型也可廣泛用于藥物毒理學研究和新藥開發(fā)。很多研究表明，精神分裂癥患者的腦體積減少，然而其具體分子學機制尚不明確，有研究表明抗精神病藥物可以引起腦體積縮小，也有研究認為無法排除疾病自然進程的影響[33]。大腦類器官模型可以體外模擬患者大腦的早期發(fā)育和生長過程，因此可以對類器官使用不同抗精神病藥物進行處理，以觀察藥物與腦體積的關系。總的來說，大腦類器官在精神疾病病因、病理、治療等研究中顯示了巨大潛力。