在神经科学和药物研发领域，一个长期存在的挑战是如何在实验室环境中准确模拟人类大脑的复杂性和功能。传统的研究方法往往依赖于简单的细胞培养或动物模型，但这些模型无法完全捕捉人类大脑的独特特征和疾病机制。如今，麻省理工学院(MIT)的研究人员开发出一种突破性的3D人类大脑组织培养平台——miBrain（多细胞集成大脑），这一创新成果可能彻底改变我们对大脑生物学的研究方式，并为神经系统疾病的治疗带来新的希望。
miBrain：首个整合六大细胞类型的大脑模型
miBrain是由MIT研究人员开发的一种革命性3D人类大脑组织培养平台，它是首个在体外培养中整合了人类大脑所有六大主要细胞类型的系统。这些细胞类型包括神经元、少突胶质细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞、周细胞和内皮细胞，它们共同构成了一个功能完整的大脑微环境。
"miBrain是唯一包含人类大脑中所有六大主要细胞类型的体外系统，"Picower学习与记忆研究所所长、资深作者Li-Huei Tsai教授表示。"在首次应用中，miBrain使我们能够发现阿尔茨海默病最常见的遗传标记之一如何改变细胞间的相互作用而产生病理变化。"
图：miBrain模型包含的六大主要脑细胞类型，每种细胞类型均由诱导多能干细胞独立培养而成。
miBrain的技术优势与创新
miBrain模型的技术优势主要体现在以下几个方面：
1. 完整的细胞组成
miBrain的独特之处在于它整合了人类大脑的所有主要细胞类型。传统的大脑类器官模型通常只包含神经元和少数胶质细胞，而miBrain则完整地模拟了大脑的细胞多样性，包括负责神经信号传导的神经元、提供支持和营养的星形胶质细胞、形成髓鞘的少突胶质细胞、参与免疫防御的小胶质细胞，以及构成血管系统的内皮细胞和周细胞。
2. 个性化与可定制性
miBrain是由个体捐赠者的诱导多能干细胞(iPSC)培养而成，这使得模型可以根据个体的基因组进行个性化定制。研究人员可以独立培养每种细胞类型，并对它们进行基因编辑，从而创建能够模拟特定健康和疾病状态的模型。
"其高度模块化的设计使miBrain与众不同，提供了对细胞输入、遗传背景和传感器的精确控制——这对于疾病建模和药物测试等应用非常有用，"主要作者Alice Stanton解释道。
3. 功能性神经血管单元
miBrain中的六种细胞类型能够自组装成功能性单位，包括血管、免疫防御和神经信号传导等特征。研究人员还确保miBrain具有血脑屏障功能，能够控制哪些物质可以进入大脑，包括大多数传统药物。
4. 规模化生产潜力
与动物模型相比，miBrain可以以相对较低的成本和较快的速度大规模生产，这为大规模药物筛选和疾病研究提供了可能。
miBrain的研发挑战与突破
开发一个整合如此多种细胞类型的模型面临着诸多挑战，这些挑战需要多年时间才能克服。其中最关键的是确定一种能够为细胞提供物理结构并支持其生存的基质。
1. 神经基质的设计
研究团队从自然组织中细胞周围的环境——细胞外基质(ECM)中获得灵感。miBrain的基于水凝胶的"神经基质"模仿了大脑的ECM，由多糖、蛋白聚糖和基底膜的自定义混合物组成，为大脑的所有主要细胞类型提供支架，同时促进功能性神经元的发展。
2. 细胞比例的优化
第二个关键挑战是确定能够形成功能性神经血管单元的细胞比例。过去几十年来，细胞类型的实际比例一直存在争议，即使是更先进的方法也只能提供粗略的指导。例如，少突胶质细胞占所有细胞的比例可能在45-75%之间，而星形胶质细胞可能在19-40%之间。
研究人员通过实验迭代，最终找到了能够形成功能性、结构适当的神经血管单元的细胞类型平衡。这一繁琐的过程最终成为miBrain的一个优势特征：由于细胞类型是单独培养的，它们都可以进行基因编辑，从而使生成的模型能够复制特定的健康和疾病状态。
miBrain在阿尔茨海默病研究中的应用
为了测试miBrain的能力，研究人员进行了一项关于APOE4基因变异的研究，这是阿尔茨海默病最强的遗传预测因素。尽管一种脑细胞类型——星形胶质细胞——已知是APOE蛋白的主要产生者，但携带APOE4变异的星形胶质细胞在疾病病理中的作用尚不清楚。
miBrain特别适合这项研究有两个原因。首先，它将星形胶质细胞与其他脑细胞类型整合在一起，因此可以模拟它们与其他细胞的自然相互作用。其次，由于该平台允许团队单独整合细胞类型，可以在所有其他细胞类型携带不增加阿尔茨海默病风险的APOE3基因变异的情况下，研究APOE4星形胶质细胞。
关键发现：细胞间相互作用的重要性
在一项实验中，研究人员单独培养的APOE4星形胶质细胞与在miBrain中的APOE4星形胶质细胞进行了比较。他们发现，只有在miBrain中，星形胶质细胞才表达了许多与阿尔茨海默病相关的免疫反应指标，这表明多细胞环境促成了这种状态。
研究人员还追踪了与阿尔茨海默病相关的淀粉样蛋白和磷酸化tau蛋白，发现所有携带APOE4的miBrain都积累了这些蛋白，而预期的所有携带APOE3的miBrain则没有。然而，在含有APOE4星形胶质细胞的APOE3 miBrain中，他们发现APOE4 miBrain仍然表现出淀粉样蛋白和tau的积累。
图：研究人员使用miBrain模型研究APOE4基因变异如何导致阿尔茨海默病病理变化。
微胶质细胞与星形胶质细胞的相互作用
研究团队深入研究了APOE4星形胶质细胞与其他细胞类型的相互作用如何导致其对疾病病理的贡献。先前的研究表明，这与大脑中小胶质细胞免疫细胞的分子交叉对话有关。值得注意的是，当研究人员在没有小胶质细胞的情况下培养APOE4 miBrain时，其磷酸化tau的产生显著减少。当研究人员用星形胶质细胞和小胶质细胞联合培养的培养液处理APOE4 miBrain时，磷酸化tau增加；而当他们用单独培养的星形胶质细胞或小胶质细胞的培养液处理时，tau产生没有增加。这些结果提供了新证据，表明小胶质细胞和星形胶质细胞之间的分子交叉对话确实需要磷酸化tau病理。
miBrain的未来发展与潜在应用
研究团队计划为miBrain添加新功能，以更接近地模拟工作大脑的特征，例如利用微流控技术为血管添加流动，或使用单细胞RNA测序方法改进神经元的分析。
1. 疾病建模与药物发现
研究人员期望miBrain能够推进阿尔茨海默病及其他疾病的研究发现和治疗方式。"考虑到其复杂性和模块性，未来有无限的方向，"Stanton说。"其中，我们希望利用它来获得对疾病靶点的新见解，治疗功效的高级读数，以及药物递送载体的优化。"
2. 个性化医疗
"我最兴奋的是为不同个体创建个性化miBrain的可能性，"Tsai补充道。"这有望为开发个性化医疗铺平道路。"
3. 神经科学研究工具
miBrain不仅可用于疾病研究，还可用于基础神经科学研究，帮助科学家理解大脑发育、功能以及各种认知和行为的细胞和分子基础。
miBrain对生物医学研究的深远影响
miBrain的开发代表了生物医学研究的一个重要里程碑，其影响可能远超阿尔茨海默病研究：
1. 减少动物实验
"miBrain作为一项科学成就令人非常兴奋，"Langer教授说。"最近减少在药物开发中使用动物模型的趋势可能会使这类系统越来越重要，成为发现和开发新人类药物靶点的工具。"
2. 加速药物开发
miBrain模型可以更准确地预测药物对人类大脑的影响，从而加速药物开发过程，减少临床试验失败的风险。
3. 理解复杂神经系统疾病
除了阿尔茨海默病，miBrain还可用于研究帕金森病、亨廷顿病、肌萎缩侧索硬化症(ALS)等多种神经系统疾病，帮助科学家理解这些疾病的分子和细胞机制。
结语
miBrain的代表了神经科学和生物工程领域的重要突破，它首次在体外培养中成功整合了人类大脑的所有主要细胞类型，为研究大脑生物学和神经系统疾病提供了强大的新工具。通过揭示APOE4基因变异如何通过细胞间相互作用导致阿尔茨海默病病理，miBrain不仅加深了我们对这一复杂疾病的理解，还为开发新的治疗方法提供了思路。
随着技术的不断发展和完善，miBrain有望在疾病建模、药物发现、个性化医疗和基础神经科学研究中发挥越来越重要的作用。它不仅可能改变我们对大脑功能的理解，还可能为无数受神经系统疾病困扰的患者带来新的希望。这一创新平台展示了基础科学研究如何转化为解决实际医疗问题的工具，为未来生物医学研究指明了方向。
