2022年脑科学与类脑智能发展态势

脑科学是理解人和自然的“终极疆域”,现已成为重要的科学和技术前沿领域之一。该文主要从研究计划、研究进展、产品研发与产业发展的视角分析2022年脑科学与类脑智能领域的进展,并对未来发展趋势加以展望。2022年,美国、中国等国家/地区的脑计划取得较大进展;在脑图谱绘制、脑发育与脑认知功能解析、脑疾病机制探索及类脑智能技术与产品开发方面取得重要研究突破;脑疾病药物研发管线丰富,将推动相关产业快速发展。未来,借助各类新技术,研究人员将在多尺度解析脑认知功能,识别其中的功能障碍,开发出多种有效的脑疾病治疗药物;脑科学与人工智能等领域相互借鉴,推动类脑智能领域快速发展并广泛应用;数据治理和伦理安全的突破有助于脑科学与类脑智能研究的良性发展。     

皮肤类器官的构建、功能及其应用研究进展

皮肤类器官作为一种新型的类器官模型,不仅能高度模拟皮肤组织的生理结构和功能,更好地在不同体外环境下还原较真实的皮肤生态,还可以应用于皮肤发育研究、皮肤疾病病理研究及药物筛选等领域。在干细胞研究中,皮肤类器官模型可以在特殊的生境下对具有特定功能的皮肤细胞及其附属物进行重建和改造,以弥补现有体外皮肤模型在结构、功能等方面的不足。基于此,皮肤类器官将会在皮肤再生、组织修复、药物筛选及医学美容等方面扮演越来越重要的角色。本文详述了皮肤类器官构建中所参与的细胞来源及近年来的应用,并对未来皮肤类器官的发展与优化做出了展望。     

类器官芯片

类器官芯片是一种新兴前沿交叉技术,它通过整合类器官与器官芯片,可在体外构筑具有高度生理关联性的器官模型系统,在组织器官发育、疾病研究、药物筛选和再生医学等领域具有重要的应用潜力.本文概述了类器官芯片的产生、技术特点及研究进展,并对其未来发展和面临的挑战进行了展望.     

人脑类器官在神经退行性疾病中的应用与展望

人脑类器官是指体外培养的,在一定程度上模拟人脑细胞类型组成、空间结构、生理功能等特征的三维类组织培养物.目前,人脑类器官已广泛应用于人脑发育、基因功能、疾病机制、药物筛选等方面的研究.本文聚焦于神经退行性疾病,概述了人脑类器官在阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症、亨廷顿病研究中的应用,并对其面临的挑战与未来的发展方向进行了展望.     

人源脑类器官模型在孤独症相关神经发育缺陷研究中的应用与进展

孤独症谱系障碍(autism spectrum disorder, ASD)是一种以社交障碍及刻板行为为核心症状的神经发育疾病。其受遗传和环境等多种因素影响,病因复杂、患者异质性极高,这给疾病机制研究和治疗靶点的研究造成了阻碍。3D人脑类器官是由多能干细胞(pluripotent stem cell, PSCs)经悬浮培养及诱导分化后自组织形成的器官样三维组织,其可携带患者完整的遗传信息,可在体外模拟胚胎的早期脑发育过程并反映病理过程。脑类器官是研究孤独症谱系障碍的理想模型与平台,该文将对近年来人脑类器官在孤独症研究中的进展与成果作综述。     

类器官在发育与再生中的研究进展

类器官(organoid)作为体外模拟器官结构和功能的三维培养体系,已经广泛应用于发育研究、疾病建模和药物筛选。类器官在再生医学中具有重要的应用前景。胚胎干细胞、诱导多能性干细胞和多组织成体干/祖细胞来源的类器官再现了发育分化、稳态自我更新和组织损伤再生过程,为揭示发育和再生调控机制、明确生理病理进程提供了可能。近年来,多细胞类型的新型培养模式和单细胞测序等技术的应用促进了类器官的发展。该文总结了类器官在发育与再生中的最新研究成果,并就前沿技术在类器官研究中的应用进行了综述与展望。     

消化系统类器官研究进展

类器官是一种近年来新发展的细胞三维培养系统。类器官与真实器官的三维结构相似,并具有自我更新和再现组织来源等特点,从而能够更好地模拟真实器官的功能。类器官为研究器官发生、再生、疾病发病机制以及药物筛选提供了一个崭新的研究和应用平台。消化系统在人体内发挥着重要功能,目前已成功建立多种消化器官的类器官模型。本文就近年来味蕾、食管、胃、肝和小肠类器官的研究进展及相关应用进行综述,并对这几种类器官的应用前景进行展望。     

类器官及其应用的研究进展

类器官弥补了传统研究中细胞简单模型与动物复杂模型的不足,为生命体关键功能研究提供了重要实验基础,已成为当前研究热点,并在疾病机理研究、药物筛选、再生医学、生物材料评价等方面具有重大理论意义和应用前景.本文对近10年类器官研究进行了综述,阐述出类器官研究的发展历程和研究现状,重点综述了类器官的主要研究领域,并解析类器官研究中存在的关键科学问题,为类器官在生物医药、再生医学和疾病精准治疗领域的研究和应用提供新思路.     

类器官的应用研究进展

类器官是利用干细胞的自我更新和分化能力,在体外培养形成的一种微小组织器官类似物,在很大程度上具有体内相应器官的功能。迄今为止,在3D培养条件下,已经成功培养出多种类器官如肺、胃、肠、肝和肾等类器官。它们不仅可作为组织器官的替代品用于药物和临床研究,还可用于体内器官移植。本文综述了类器官在药物毒性检测、药效评价和新药筛选中的作用以及利用类器官建立疾病模型、研究组织器官发育和类器官在精准医疗、再生医学中的价值。     

类器官组织在感染性疾病研究中的应用

类器官(organoid)是体外3D培养组织干细胞所形成的多功能细胞团,具有自身增殖和多向分化的能力,在空间和结构上与来源器官组织的基因、结构和功能相似,可用于模拟体内组织细胞生长、分化及器官形成过程,在药物筛选与评价、生物医学材料及组织工程等方面具有重要的应用潜能。当前在感染性疾病研究方面,越来越多数据表明不同类器官组织可用于在体外模拟病原入侵和引发疾病过程。鉴于此,本文对类器官组织在病原感染相关疾病模型上的研究进展及其应用前景进行综述。     

类器官培养方法及家畜类器官研究进展

类器官(organoid)是由干细胞在体外培育而成的一种三维(3D)细胞培养物,其中包含多种细胞类型的自组装。类器官是生物医学领域内近年来的热门前沿技术之一,可用于发育、内稳态、再生、疾病建模和药物研发等领域的相关研究。不同类器官的培养方法存在差异,因此了解相关进展对成功构建合适的类器官模型非常重要。家畜与人类生活息息相关,通过构建类器官的方式以其为研究对象,对人类的饮食安全、医疗保健、精神健康都具有重要意义。本文评述了类器官的培养方式及家畜类器官研究方面的进展,以便为后期相关研究提供参考。     

骨类器官的构建及应用进展

骨骼疾病如骨质疏松、骨关节炎等已成为重要的人类健康问题,需要更深入地了解相关疾病的发病机制并开发更有效的治疗方法。由于2D细胞培养和动物实验等常规研究方法的局限性,近年来发展的类器官技术受到了极大关注。类器官作为干细胞衍生的自组织3D细胞簇,可以在体外更真实地模拟组织器官的复杂结构和生物功能。目前间充质干细胞、多能干细胞等衍生的骨类器官已逐步建立,不仅为疾病建模、药物筛选和生理病理基础研究提供了良好平台,还有望为骨缺损修复带来新希望。现对不同骨类器官模型的构建及主要应用进行概述,同时讨论了骨类器官培养面临的挑战,并对其未来发展进行展望,为构建结构功能更完善的骨类器官并将其应用于生物医学研究提供参考。     

常染色体隐性遗传小头畸形相关蛋白研究进展

脑发育相关疾病是一类影响大脑或中枢神经系统生长和发育的疾病。常染色体隐性遗传小头畸形(autosomal recessive primary microcephaly, MCPH)是一种神经系统发育障碍疾病,病人主要表现为头围减小,并伴随一定程度的智力衰退。迄今为止已发现至少有25个基因突变都会导致MCPH,根据它们发现的顺序分别命名为MCPH1～25。MCPH蛋白作为重要的成份参与调控大脑发育相关信号通路。本文对目前发现的25个MCPH相关蛋白的表达模式、细胞定位、分子生物学功能、表型及动物模型进行了综述,旨在提升人们对脑发育相关疾病的致病机制的认知,促进对神经元生成、脑尺寸大小及脑功能调控等分子机制的研究。     

类器官的研究进展及应用

随着人类生物学研究的不断深入,需建立新的模型系统为研究提供了有力的工具。虽然传统的研究模型已被广泛应用,但难以准确反映组织、器官在机体中的生理现象。类器官 (Organoid) 是来源于干细胞或器官祖细胞的三维细胞聚集体,可分化和自组织形成具有人体相应器官的部分特定功能和结构。由于类器官具有人源性,可模拟器官发育和形成,在体外长期扩增中具有基因组稳定性,并能够形成活体生物库进行高通量筛选等优势,成为近年来备受关注的体外模型。目前,利用类器官模型结合新兴的基因编辑、器官芯片、单细胞RNA测序技术等,能够突破传统模型的瓶颈,在器官水平上为疾病模型的建立、药物研发、精准医疗以及再生医学等提供有价值的信息。文中就类器官分类及特性、研究应用、与其他技术结合应用及展望这4个方面进行综述。     

类器官在临床医学中的应用和研究进展

类器官是具有三维结构、高度保留来源组织器官特性的体外3D类组织培养物.类器官的兴起和发展为临床医学提供了一项重要的工具.患者源性类器官可以作为模拟和研究疾病模型,帮助临床医生更好地理解相关疾病病理生理,并制定相应的治疗策略;肿瘤患者类器官可以为药物筛选提供更准确的平台,帮助和指导临床医生为癌症患者选择最合适的治疗方案,提高患者临床预后.本文将介绍类器官在临床医学中的应用和研究进展.     

胰岛类器官研究进展

类器官是将具有多向分化潜能的干细胞或组织细胞在特定环境下培养分化成为能够模拟原生器官结构和功能的三维结构。类器官在各种疾病模型研究及药物筛选中发挥至关重要的作用。近年来,通过体外诱导胰腺组织或多能干细胞分化形成具有胰岛细胞功能的胰岛类器官研究成为热点,为胰岛相关疾病模型、药物研究以及糖尿病的治疗提供了新的手段。本文针对胰岛类器官的体外诱导方法及应用前景作一综述。     

肝脏类器官的研究及应用进展

肝脏疾病易感性差异大且个体间的肝脏细胞存在明显的异质性,因此开发体外能够长期存活并具有代谢功能的人体类肝组织细胞模型,对治疗终末期肝病、开展肝脏致病机理研究及药物筛选具有重要意义。过去十年中,体外三维类器官模型发展迅猛,为疾病模拟、精准化治疗领域的研究提供了新的工具,显示出巨大潜力。肝脏类器官具有患者的基因表达与突变特征,在体外能够较长时间地保持肝脏细胞功能,已被应用于疾病模拟及药物有效性研究,并具有进行原位或异位移植发挥治疗作用的应用潜能。就干细胞、肝脏原代细胞等不同来源的肝脏类器官的发展及近年的研究进展作了综述,以期为肝脏类器官在疾病建模、药物发现和器官移植领域的研究和应用提供新的思路。     

心脏类器官

类器官是体外构建的一类由多种类型细胞组成的,与体内器官或组织高度相似的三维培养物,它能够模拟细胞所属器官的某些结构和生理功能。心血管疾病患病率及死亡率一直处于上升阶段,相关基础研究主要基于细胞和动物模型。心脏类器官是对传统心血管疾病模型的有效补充,在体外更真实和准确地反映人体心脏的生物学特性和功能,使其在疾病机制研究、药物开发、精准医疗和再生医学等领域具有广泛应用前景和独特优势。该文主要介绍了心脏类器官作为新一代疾病模型在心肌梗死、心力衰竭、遗传性心脏病和心律失常等方面的应用,并探讨了类器官技术未来的发展方向和面临的挑战。     

环境雌激素双酚A对脑和行为发育的影响

双酚A是一种具有代表性的环境内分泌干扰物, 其广泛使用引起的对人类和野生动物的危害不容忽视. 双酚A具有类雌激素和抗雌激素活性, 可与雌激素受体结合, 模拟或干扰体内雌激素的合成、代谢和活动, 从而影响机体的生理功能. 在脑发育过程中, 双酚A不仅影响脑内雌激素合成关键酶芳香化酶的表达和活性, 还可改变不同脑区雌激素受体(ERα和ERβ)的表达, 并因此放大或干扰雌激素对脑发育的调节作用. 经典的雌激素核受体机制和非基因组细胞信号系统均参与双酚A对脑发育的影响. 许多脑区特别是与行为相关的如下丘脑、脑干蓝斑、皮层和海马等脑区的结构、递质系统等发育受双酚A影响, 干扰其发育的性别分化, 并因此影响生殖行为、探究、焦虑和学习记忆等多种神经行为的性别分化. 双酚A影响脑发育的细胞、脑区和时间特异性, 以及对脑发育过程影响的动态变化, 使双酚A对脑发育的影响非常复杂. 发育中的脑对双酚A特别敏感, 低于环境排放安全标准剂量的双酚A已可影响脑和行为的发育. 因此, 双酚A环境排放安全标准的重新制定非常必要, 而对双酚A毒理学的进一步实验研究和流行病学研究将有助于其环境排放安全新标准的确定.     

脑发育疾病及发病机制

大脑发育是一个极其复杂又被精确调控的过程,主要包括神经前体细胞增殖和分化、神经元迁移和形态发生(包括轴、树突发育)、突触形成与修剪、轴突髓鞘化、神经网络的形成与重塑等过程,最终形成功能完善的神经系统。其中的任何过程出现问题都有可能导致大脑发育异常,造成大脑功能障碍,即脑发育疾病。儿童脑发育疾病在医疗总负担中占比最高,因此被广泛关注。脑发育疾病通常被划分为两类:一类以大脑形态结构异常为指标,即大脑皮层发育畸形(malformation of cortical development, MCD);另一类以大脑功能障碍为指标,即神经精神疾病(neuropsychopathy)。大脑皮层发育畸形中的小颅畸形(microcephaly)和神经精神疾病中的孤独症谱系障碍(autism spectrum disorder,ASD)这两种疾病具有许多共同之处,例如小颅畸形致病基因的突变高频地出现在ASD病人中。本文针对这两类具有代表性的脑发育疾病,从症状、病因、机制和相关基因等方面展开介绍,以期为疾病的基础研究和治疗提供理论指导。