06.12 2025
体外评估药物神经毒性的脑类器官模型已成为革新传统毒性测试方法的重要工具。传统神经毒性评估依赖动物模型或二维细胞培养系统，但动物实验存在种属差异大、成本高昂等问题，而二维细胞模型难以模拟人脑的三维结构和细胞间复杂相互作用。胎脑类器官通过3D培养技术，能够高度模拟人脑早期发育的微环境，并形成具有功能性的神经元网络和突触连接。
脑类器官为评估环境污染物（如农药、微塑料）及药物的神经毒性提供了高灵敏平台，减少了实验动物的使用，符合“3R原则”（替代、减少、优化），同时支持高通量筛选。类器官在药物暴露后可通过活细胞成像、代谢活性检测（CellTiter-Glo® 3D）快速评估毒性效应，显著提升研发效率。未来可通过结合微流控芯片、多器官共培养系统及人工智能分析，进一步提升模型的生理相关性和预测能力。
胎儿脑类器官
Hans Clevers团队2024年首次利用人类胎儿脑组织成功构建了功能性胎儿脑类器官（FeBOs）。该研究直接使用胎儿脑组织块进行体外培养，实现了自组织三维结构的形成，保留了脑区特异性，对比iPSC来源的类脑显著提升了与人脑的相似性，在成熟度高、低异质性等方面有显著优势。其次，验证了FeBOs超过8个月的长期稳定培养，并通过单细胞测序、电生理检测验证了细胞多样性和功能性突触的形成，标志着脑类器官技术的重大突破。
胎儿脑类器官与ESCs/iPSCs诱导的脑类器官相比，在体内一致性方面有诸多优势。由多能干细胞诱导的脑类器官在结构、分化成熟度、产业应用方面与原代组织的差异还是巨大的。从分化成熟度角度看，多能干细胞诱导的脑类器官经过超过40天的分化成熟，仍停留在胚胎早期（8-12周）阶段，无法复现成熟脑组织的复杂特征。胎儿组织构建的脑类器官，由于起源就是发育中的脑组织，通过体外的3D培养实现了长期稳定扩增，它在细胞组成、成熟度、多样性等方面均更靠近人脑组织，保留了组织细胞外基质（ECM）微环境，模拟体内细胞异质性和复杂组织结构，沿袭了人脑组织的分子特性、细胞组成、结构和功能。
iPS重编程引入c-Myc等原癌基因激活，在体内形成肿瘤的潜在风险是临床实施的关键障碍。多能干细胞来源的类脑存在谱系异质性与标准化难题，影响质量控制与稳定性。非引导性培养的方法产生的类器官种细胞类型混杂问题尤为突出，单细胞测序显示同批次类器官中神经元亚型比例波动较大，前脑、中脑等多脑区混合结构使实验可比性下降。分化周期方面，ESC/iPSC类器官需要60天以上成熟期，相较胎儿组织来源类器官耗时长且成本更高。培养基中的生长因子存在批次活性差异，叠加细胞异质性因素，使实验可重复性面临双重挑战。这些系统性局限表明，脑类器官技术的临床转化需要突破发育调控机制、材料科学创新和规模化生产体系的协同进步，方能在神经疾病建模和再生医学中实现突破性应用。
胎儿脑类器官 VS ESCs/iPSCs诱导的脑类器官
目前胎儿脑类器官模型已在丹望医疗平台完成初步构建。
胎儿脑类器官特征
图1，通过免疫荧光染色显示，胎脑类器官能够保留来源的特定大脑区域特征。来自腹侧前脑的类器官能够表达腹侧前脑特异性转录因子NKX2-1，不表达PAX6；而分离自背侧前脑的类器官则表达皮层前体细胞转录因子PAX6；类器官呈现分层特性，表层细胞表达神经干细胞标志物SOX2，而内侧细胞表达神经元标志物TUJ1；Ki67+增殖细胞大量分布于类器官外层。
图2，胎儿脑类器官用于多柔比星(Doxorubicin)、长春新碱(Vincristine) 等药物，以及重金属氯化镉(CdCl2)的神经毒性检测，反映了不同毒性机制药物对胎脑类器官的损伤差异，阴性对照药物阿司匹林(Asprin)无明显毒性，建立了良好的神经毒性测试平台。
核心优势
1、体内一致性更高
Ÿ 胎儿脑组织块体外培养，自组织三维结构，避免种属差异
Ÿ 保留人脑区特异性，细胞组成、成熟度、多样性等方面均与人脑更相似，可分泌组织细胞外基质(ECM)
2、稳定性、重复性、快速性、高通量
• ≥8个月的长期稳定培养验证；
• 病理验证大脑区域特征、单细胞测序验证细胞多样性、电生理检测验证功能性突触的形成；
• 扩增速度快，便于实现大规模毒性筛选；
• 便于动态观察与干预。
3、伦理合规
• 严格遵循组织来源伦理规范
• 减少了实验动物的使用，符合“3R原则”（替代、减少、优化）
丹望医疗毒理测试平台
丹望医疗基于多年技术积累，先后开发了涵盖肝、肾、肠、心、肺、脑、皮肤等多类器官及类器官芯片模型，支持小分子、生物药及细胞疗法的系统性毒性评估，其人体相关性显著优于传统模型，显著提升临床前预测效率，与FDA倡导的新一代非动物实验技术路线高度契合。
