作者： 时间：2025-02-06 点击数：
——转载于BMT编辑部Biomaterials Translational 微信公众号
同济大学生命科学与技术学院朱融融教授团队在期刊Biomaterials Translational 2024年第四期上发表综述文章：Progress in spinal cord organoid research: advancing understanding of neural development, disease modelling, and regenerative medicine
脊髓类器官（SCOs）推动了脊髓发育和疾病机制的研究，该技术能够再现人类脊髓组织的复杂性。本论文综述了SCO技术的最新进展，重点介绍了它们在模拟脊髓形态发生以及在神经退行性疾病研究中的应用。SCOs在区域特异性和细胞多样性取得了方法创新，提高了其在神经病变及药物筛选的预测能力，有望在再生医学领域产生重大突破。
研究内容简介
干细胞衍生的类器官的构建和应用已成为研究组织和器官发育模式及病理机制的前沿和热点。类器官是由干细胞组成的三维细胞群体，具有自我更新和分化的能力，能够生成代表器官的多种细胞亚群。它们在组织结构上与对应的器官相似，并能再现这些器官的部分功能。类器官的发展极大地推动了生物医学的进步，成为药物疗效评估和毒性测试的高效平台。此外，它们在发育生物学、病理机制研究以及再生医学领域具有重要的意义。多项研究已经通过类器官技术建立了脊髓组织的体外模型，用于模拟脊髓发育的早期阶段，并研究与脊髓病变相关的致病基因和潜在的治疗策略。
本文详细介绍了脊髓类器官的研究进展，包括构建方法学的创新，在区域特异性和细胞多样性等方向的突破，以及其在发育模式研究、药物筛选、再生医药及精准医疗领域的应用（图一）。
图一. 脊髓类器官的研究进展
1. 脊髓类器官的研究进展
过去十年中，神经类器官领域取得了一定的研究进展。2013年，Lancaster等人首次开发了源自人类诱导多能干细胞（iPSCs）的大脑类器官培养体系，并利用这一模型研究了小头畸形的病理机制。此后，研究者们致力于构建特定区域的神经类器官，以再现中枢神经系统不同区域的发育模式和组织功能。
脊髓是一个复杂的管状结构，包含数十种神经元亚型，这对脊髓类器官的构建提出了挑战。脊髓复杂的三维结构是由胚胎发育过程中形态发生素的时空梯度协同作用形成的。这些梯度建立了头尾（A-P）、背腹（D-V）和内外（M-L）轴，对脊髓的正确区域化和神经分化至关重要，这些精确的发育线索协调确保了脊髓组织的高度有序（图二）。
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图二. 脊髓的体轴发育通过精确的信号梯度调控。(a) A-P轴由RA和FGF8/GDF11的交叉梯度形成。(b) D-V轴由BMP/Wnt和Shh的交叉梯度建立。(c) M-L轴由神经祖细胞的径向迁移和分化产生，导致脊髓灰质和白质的形成
研究人员通过模拟脊髓发育过程中形态发生素的诱导，成功构建了具有特定组织形态和功能的脊髓类器官。通过补充促进尾部神经管发育的信号，研究人员诱导出具有后脑和脊髓特征的类神经组织。Ashley R. G. Libby等人通过Wnt激动剂诱导脊髓类器官的轴向延伸，并表现出区域特异的HOX基因表达，这些类器官由神经中胚层和神经上皮细胞组成，为脊髓组织的早期发育特征提供了更全面的代表。在D-V体轴形成方面，研究人员利用BMP4和Shh信号通路激动剂分别诱导iPSCs形成背侧和腹侧脊髓祖细胞结构域。最近的研究揭示了脊髓尾端化的发育模式，确认脊髓组织主要由位于节点-条带边界及其相邻尾侧外胚层的神经中胚层祖细胞（NMPs）发育而来。这些细胞在神经管的前端和后端具有不同的发育命运。这一模型的提出为脊髓类器官的构建方法提供了新的理论基础。Dosh Whye等人描述了一种构建神经中胚层类器官的方法，该过程依赖于对WNT和FGF信号的精细调控以增强早期神经中胚层特征。
在脊髓类器官的发展中，研究人员对多种脊髓神经细胞亚型表现出浓厚兴趣，包括运动神经元、背侧中间神经元、少突胶质细胞和星形胶质细胞，这些细胞对人类脊髓发育模式的功能完整性至关重要。Woo Min Seo等人利用iPSCs构建了具有运动神经元富集的脊髓类器官，可用于模拟脊髓组织的急性氧化应激损伤，这一模型为筛选促进轴突再生的药物提供了有价值的工具。在髓鞘形成方面，Owen G. James等人利用患者来源的Nfasc155缺陷细胞，构建了髓鞘富集的脊髓类器官。
2. 脊髓类器官在疾病模型中的应用
在脊髓类器官技术出现之前，研究人员通常使用单层神经细胞或手术造模/遗传缺陷的动物模型来研究脊髓相关疾病。与这些模型相比，SCOs具有许多优势。SCOs能够动态模拟神经管的形成过程，包括A-P和D-V特征的多样化细胞组成，使其成为研究脊髓发育的强大工具。此外，SCOs展现出与脊髓组织相似的细胞多样性，这在单层细胞培养中难以实现。与动物模型相比，SCOs作为疾病模型可以缩短研究周期并降低实验的复杂性（图三）。SCOs可以通过基因编辑等手段生成神经管缺陷的类器官，在个性化医学领域具有广阔的应用前景。
图三. 用于脊髓神经病变的多种研究模型
脊髓相关疾病包括发育性疾病、神经退行性疾病、脊髓损伤（SCI）和血管病变，这些疾病不同程度地影响神经信号的传递，从而使得感觉和运动功能受损。这些疾病的病理机制尚未完全解析。目前，研究人员已成功利用类器官技术生成了模拟多种脊髓病变的SCOs，这为揭示其病理机制提供了新的视角，并在精准医疗和药物筛选方面展现出广阔的应用前景（图四）。
图四. 脊髓类器官的构建及其在疾病模型建立中的应用
2.1 脊髓发育性疾病
脊柱裂是脊髓发育中的常见疾病，由于神经管闭合障碍，导致脊髓和神经组织暴露，引发神经功能紊乱。SCOs为研究发育缺陷提供了平台，可以模拟胎儿脊髓的缺氧和低血糖条件，用于筛选胚胎期的神经保护剂。此外，SCOs还用于研究遗传因素和药物刺激对神经管发育的影响，以及化学物质对胎儿发育的神经毒性效应。
2.2 神经退行性疾病
脊髓组织相关的神经退行性疾病如肌萎缩侧索硬化症（ALS）和多发性硬化症（MS），通常由遗传缺陷或与年龄相关的因素引起，导致脊髓结构和功能逐渐恶化。研究人员利用类器官模型研究这些疾病的遗传和环境因素，开发新治疗方法。例如，利用基因缺陷的iPSCs构建ALS类器官模型，研究其病理特征和药物效果。
2.3 病毒诱导的脊髓炎症
类器官是研究病毒感染的有效模型。其中，EV-D68病毒可引起急性弛缓性脊髓炎（AFM），研究人员通过感染类器官研究其对神经结构的破坏，揭示病毒诱导的神经系统疾病的机制。
2.4 脊髓损伤和神经肌肉疾病
脊髓损伤通常由创伤或压迫引起，导致运动和感觉功能障碍。类器官技术为SCI的研究提供了新方法，有研究通过重编程星形胶质细胞生成类器官，对SCI的组织修复具有重要的理论价值。此外，类器官也被用于研究脊髓性肌萎缩症（SMA）等神经肌肉疾病的早期发育和病理特征。
2.5 疼痛
背根神经节（DRGs）是传导疼痛信号的关键结构。研究人员开发了DRG类器官和SCO-on-chip模型，用于研究神经病性疼痛的传导机制和药物筛选，为疼痛研究提供了新的体外平台。
SCOs为研究脊髓发育和疾病提供了一个强大的模型，但需要进一步的技术改进和优化以克服现有局限性。随着生物工程和干细胞技术的发展，预计SCOs将在脊髓疾病研究中发挥越来越重要的作用。
3. 生物工程构建脊髓类器官
尽管SCOs能够模拟脊髓的部分细胞组成，但其结构复制仍不准确，尤其是在功能细胞组成、空间分布和发育特征方面。为了解决上述问题，研究人员采用了生物活性材料、3D打印等技术来精细构建脊髓组织结构。此外，还开发了“组装体”来研究细胞相互作用和神经回路的形成。
3.1 生物材料和3D打印
近年来，功能生物材料在构建SCOs中受到关注。这些材料可以调节微环境，指导细胞命运。例如，Lancaster等人使用PLGA微丝作为支架，结合Matrigel和神经诱导培养基，增强了神经外胚层的形成。合成水凝胶如海藻酸钠也被用于构建SCOs，显示出更好的细胞分化一致性。此外，去细胞化细胞外基质（DECM）也被用于构建SCOs，能够更好地支持神经细胞的生长和分化，显示出在个性化医疗中的应用前景（图五）。
图五. 可应用于脊髓类器官构建的DECM水凝胶
研究表明，信号通路配体的浓度、位置和时间决定了细胞命运，而生物材料可以精确控制这些因素。例如，2014年的一项研究利用层粘连蛋白和聚乙二醇（PEG）水凝胶支架控制视黄酸（RA）的释放，诱导形成具有背腹结构的神经上皮组织。最近，研究人员使用多孔壳聚糖微球结合Matrigel来调控Shh激动剂的浓度分布，模拟体内神经管发育的信号中心，生成不同的背腹祖细胞域。生物材料与3D打印技术结合，可以塑造类器官的形态和设计细胞及诱导因子的空间分布，为多细胞SCOs的生物打印提供了新的见解。
生物材料在调节细胞命运的物理化学信号方面具有天然优势，能够精确设计脊髓样结构。研究人员通过调整生物材料的机械性能、搭载小分子，与神经干细胞（NSCs）结合，设计了多种脊髓样组织（SCLTs）。这些SCLTs在组织形态上类似于天然脊髓，具有重建受损脊髓神经网络的巨大潜力。2018年，研究人员利用组织工程技术模拟脊髓的白质和灰质，构建了基于明胶海绵和NSCs的可移植SCLTs。在这些SCLTs中，观察到髓鞘形成和神经元电生理活动，并且SCLTs能够与大鼠的背根神经节和肌肉细胞建立信号传递。当研究团队将SCLT移植与尾神经电刺激结合时，治疗效果进一步增强，包括移植后的BBB评分和运动诱发电位（MEP）的改善。
3.2 微图案和微流控芯片工程化的类器官
微图案和微流控芯片技术在SCOs的组织结构调控中发挥重要作用。微图案化技术通过调控类器官的组织形态，能够形成稳定的神经玫瑰花状结构，从而提高类器官的成熟度和形成效率。此外，该技术还能通过控制形态发生素的时空梯度，模拟神经发育过程中A-P和D-V轴的形成，生成具有不同神经细胞类型的类似神经管的结构。微流控芯片技术结合微图案技术，再现了脑和脊髓区域的神经模式形成，观察到神经嵴细胞、神经管和类前脑的结构（图六）。这些技术使研究人员能够精确控制细胞的空间排列和分化，为研究神经发育和疾病模型提供了有力工具。
图六. 利用微图型和微流控技术获得µNTLS的过程示意图
3.3 组装体
组装体技术通过将多种类器官融合，模拟大脑、脊髓和肌肉之间的神经网络，用于研究复杂的细胞间相互作用和神经回路。将皮质类器官与脊髓类器官结合，形成能够引发肌肉收缩的皮质-脊髓-肌肉类器官。这种技术还被用于开发脑-脊髓组装体，通过3D工程芯片模拟皮质与脊髓之间的生理连接，验证神经化学刺激的传递，结合光遗传学刺激皮质类器官，可以引发下游肌肉细胞的强烈收缩，展示了组装体在神经信号传导功能研究中的潜力（图七）。
图七. 组装体的构建方法及其在神经传导功能研究中的应用
4. 结论
脊髓类器官正在推动中枢神经系统疾病治疗策略的发展。它们不仅能够作为疾病和发育研究的模型，还具有作为移植体与宿主的受损组织整合的潜力，以促进神经功能的恢复。SCOs作为疾病模型，可用于研究脊髓的致病基因，利用患者来源的iPSCs或已知致病基因缺陷的细胞系，在神经发育障碍、神经病性疼痛、神经退行性疾病和脊髓损伤的研究中取得了显著进展。同时，生物功能材料、3D打印技术、器官芯片技术和组装体技术也为SCOs结构和功能的完善提供了新方法。脊髓类器官未来的发展方向需要关注细胞成熟度、多样性和结构仿生等问题。我们期待未来SCOs将在临床中广泛应用于疾病筛查，并进一步应用于移植和组织再生。
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