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類腦器官培養技術與傳統的二維培養方法相比，三維類腦器官具有與人腦類似的結構，且能夠很好地模擬細胞類型及神經環路等特征。因此，三維類腦器官近年來，越來越多的應用于探究人腦早期發育的研究中。另外，類腦器官在探究疾病的病理機制和高通量藥物篩選等方面也展現出了廣闊的應用前景。但由于腦與和血管的共同發育的重要性，缺乏循環系統，特別是內皮系統的參與，類腦器官不能進行長期培養。

中科院生物物理研究所王曉群課題組長期深耕腦的發育與功能領域， 近年來，該課題組對于人大腦皮層胚胎發育期間細胞類型與細胞特征進行了系統分析，并揭示了人腦神經元在胚胎發育期快速增長并產生溝回的調控機制 (Liu et al., 2017; Zhong et al., 2018)。跨物種研究表明，人類及非人靈長類動物的大腦皮層發育呈現出了有別于其他低等動物（如嚙齒類）的一些特點，例如出現了包含大量oRG神經前體細胞和IPC中間神經前體細胞的外側腦室下區（OSVZ區）（wang et al., 2011)，這些神經前體細胞種類的多樣性和豐富的數量促進了神經元的高速產生，為人腦的復雜功能發育提供了細胞基礎。為了深入研究該領域，王曉群課題組早在2012年首先開發了類腦皮層培養的技術的建立與發展，并應用該技術在體外模擬了ASPM基因突變引起的頭小畸形癥發育和發展過程以及病理特征 (Li et al., 2017)。

2020年5月 13日，中國科學院生物物理研究所王曉群研究員聯合北京師范大學吳倩教授在Plos Biology雜志上發表了題為Vascularized human cortical organoids (vOrganoid) model cortical development in vivo的論文。該研究通過共培養人胚胎干細胞（或人多能干細胞）和人臍靜脈內皮細胞（HUVECs）建立了一種獲得血管化類腦器官的方法，很好地解決了限制類腦器官長期發育的氧氣和營養物質缺乏問題。該研究還證實了HUVECs血管網絡能夠加速類腦器官的成熟發育，使其更早的達到成熟狀態。而進行體內移植之后，類腦器官血管網絡中的內皮細胞可以整合到宿主小鼠的血管中而形成新的有血液流動的功能性血管網絡。

本研究將HUVECs和人胚胎干細胞進行3D類腦器官共培養，發現HUVECs可以在類腦器官中連接形成具有通透能力的復雜血管網絡，且形成的血管網絡可以在超過200天的類腦器官中穩定存在。免疫熒光染色顯示，血管化類腦器官具有多種神經干細胞富集的腦室區、腦室下區和外側腦室下區，以及新生神經元富集的皮質板區。同時，還可以看到與人胚胎期皮層類似的興奮性神經元分層排布而且中間散布著多種中間神經元。單細胞RNA測序發現血管化類腦器官的細胞類型具有多樣性，并且各個細胞類型的轉錄組模式與人腦中的對應細胞類型高度相似，進一步說明了其與皮層的相似性。此外，膜片鉗全細胞記錄表明血管化類腦器官中的神經元能夠發放動作電位，并建立廣泛的電突觸及化學突觸聯系。這些結果說明，本研究建立的血管化類腦器官在細胞類型、細胞排布、轉錄組模式及電生理特性等方面都很好地模擬了人胚胎期大腦皮層的特征，因此是研究人皮層發育及相關疾病的良好模型。

類腦器官有望在未來應用于腦疾病的深入研究或治療，例如腦外傷的治療應用。因此，為了探究類腦器官在移植中應用的可能性，作者將血管化的類腦器官移植到免疫缺陷小鼠的S1腦區。結果發現類腦器官血管網絡可以整合到宿主小鼠的血管中形成新的有血液流動的功能性網絡，同時減少了移植物的細胞凋亡。

綜上所述，該研究通過共培養人胚胎干細胞/多能干細胞和人臍靜脈內皮細胞建立了一種獲得血管化類腦器官的方法，很好地解決了限制類腦器官長期發育的氧氣和營養物質缺乏問題。另外，內皮細胞建立的血管網絡可以加快類腦器官的發育進程，促進神經發生，使其更早地達到成熟狀態，從而有效的解決了類腦器官成熟慢和發育周期長的問題。通過體內移植實驗，本研究還首次證實了類腦器官血管網絡可以整合到宿主小鼠中并形成新的有血液流動的功能性血管網絡。血管化類腦器官的建立將為實現類腦器官的優化培養、促進其功能成熟，以及為建立體外三維血腦屏障模型提供新的研究思路及方案，具有重要的生物學和醫學應用潛力。