摘要：根据1990—2019年中国中枢神经系统肿瘤疾病负担变化趋势分析数据，此类疾病的标化发病率、标化患病率及标化伤残调整生命年（DALYs）均呈现持续上升趋势[1]，尽管手术、放疗及化疗在一定程度上改善了患者预后，但许多患者接受治疗后仍需长期面对因治疗引起的严重副
专家论坛
通信作者：赵元立
基金项目：中央高水平医院临床科研专项（2023-PUMCH-E-011）
文章来源：协和医学杂志, 2025,16(4):836-846.
根据1990—2019年中国中枢神经系统肿瘤疾病负担变化趋势分析数据，此类疾病的标化发病率、标化患病率及标化伤残调整生命年（DALYs）均呈现持续上升趋势[1]，尽管手术、放疗及化疗在一定程度上改善了患者预后，但许多患者接受治疗后仍需长期面对因治疗引起的严重副作用[2]。因此，提高中枢神经系统肿瘤的诊疗水平、深入探究其病因机制，并制订个性化的预防及干预策略，已成为减轻我国医疗卫生体系疾病负担的迫切需求。中枢神经系统肿瘤分为原发性和转移性，常见类型包括胶质瘤、脑膜瘤和神经鞘瘤，以及乳腺癌脑转移、肺癌脑转移等。其中，恶性原发性中枢神经系统肿瘤的治疗仍然是肿瘤学领域亟需突破的难点，其患者5年生存率通常不足35%。相较而言，转移性脑肿瘤的发病率约为原发性脑肿瘤的10倍，且约30%的系统性肿瘤患者可能发展为脑转移瘤[3]。然而，中枢神经系统肿瘤的诊疗仍面临诸多挑战，如肿瘤的高度异质性及分子标志物的多样性增加了诊断的复杂性，血脑屏障显著限制了药物的有效递送，以及单一药物治疗所导致的耐药性问题等。此外，目前尚缺乏能够精确模拟神经系统肿瘤结构特性、分子特性及肿瘤微环境方面特征的理想疾病模型。因此，中枢神经系统肿瘤的发病机制、分子病理分型及药物研发已成为近年来的研究热点，并呈现迅速发展趋势。
类器官是一种在体外具有与体内器官相似结构和功能的复杂三维模型，可通过干细胞或器官特异性祖细胞培养，经细胞分选以及自组织，形成复杂的三维结构和特定功能[4-5]。最早的类器官模型由Barcellos-Hoff团队通过在富含黏连蛋白的基质中培养乳腺类器官实现，该模型表现出表皮极化及定向分泌功能[6]。随后，Mototsugu团队利用人类多能干细胞（hPSCs）在体外培养出大脑皮层组织和视杯，进一步推动了类器官技术的发展[7-8]。目前，类器官技术已覆盖肠道、肺、视杯、大脑等多种器官模型，其中脑类器官不仅在形态上类似于人类大脑，还具有基本的电生理活性，并能够自组织模拟大脑的结构和功能特征。该技术在神经发育研究、疾病建模、药物筛选及个性化治疗方案制订中展现出广泛的应用前景。相较于伦理受限的人类脑组织样本、传统二维细胞培养体系及动物模型，脑类器官和中枢神经系统肿瘤类器官在体外提供了更接近生理状态的大脑模型，从而使研究复杂的病理生理过程成为可能。此外，脑类器官和中枢神经系统肿瘤类器官可结合基因编辑技术［如CRISPR（clustered regularly interspaced short palindromic repeats）］、微流控装置、生物打印及人工智能技术，进一步提升模型的复杂性和特异性[9]。本文通过对类器官技术的基本原理、技术进展及其在中枢神经系统肿瘤疾病机制研究、药物筛选和治疗领域的应用进行阐述，以期为类器官在中枢神经系统肿瘤研究中的应用提供理论支持与实践思路。1
类器官技术的基本原理与应用优势
类器官是通过干细胞（包括成体干细胞和hPSCs）在适宜的三维培养体系中生成的一种复杂微型三维结构。这些结构能够在体外重现组织或器官的关键特征，包括细胞组成、空间结构及某些功能特性，为疾病建模和机制研究提供了重要工具。类器官主要分为两大类：脑类器官和神经系统肿瘤类器官。脑类器官主要通过诱导hPSCs或胚胎干细胞在特定的培养基和生长因子环境中形成类似大脑皮层的结构，包括神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞[10]。中枢神经系统肿瘤类器官又可分为两大类：第一类为成体干细胞来源的中枢神经系统肿瘤类器官，其种子细胞来源于癌性成体干细胞，依赖特定生长因子组合以维持其组织特异性。此类中枢神经系统肿瘤类器官具有明显的长期传代能力，并可应用于高通量检测，以预测患者对治疗的反应，其生物学特性与临床信息高度相关，因而在精准医学领域具有重要价值[11]第二类为hPSCs来源的中枢神经系统肿瘤类器官，其种子细胞通常来源于经过再编程的成纤维细胞、血液细胞或上皮细胞，在外源性生长因子条件下（模拟胚胎发育信号），这些细胞逐步分化形成特定的三维结构。与成体干细胞来源的中枢神经系统肿瘤类器官相比，hPSCs来源的中枢神经系统肿瘤类器官具有更强的基因编辑灵活性和个性化潜力，但其长期传代需依赖动物体内移植，且在预测患者治疗反应的高通量筛选中具有一定的局限性[11]。此外，2024年Hendriks团队提出了一种基于人类胚胎中期（第12～15孕周）神经发生期胎儿脑组织的创新类器官构建方法[12]。该方法保留了原始组织的空间结构和细胞间相互作用，并提供了必要的外源性生长信号（如表皮生长因子和成纤维生长因子）。通过轨道振荡器进行动态培养，并结合组织切割与重新培养的方式实现传代，所构建的类器官在整个培养周期内表现出稳定的生长与扩展能力。该研究不仅为肿瘤发生机制的探索提供了全新平台，也为精准治疗药物的筛选与验证开辟了新路径。类器官三维结构的构建体现了高度的自我组织能力，其组织完整性和细胞分层在很大程度上再现了体内组织的细胞分布与异质性，这对于构建类器官细胞外基质环境具有重要作用。一个良好的细胞外基质环境对于类器官的长期生长和扩展至关重要。在类器官培养过程中，不同区域的脑组织能够维持其区域特性，并表达相应的区域标志物。如辐射状胶质细胞表现出SOX2+的表达特性，而新生神经元则具有DCX+的标志表达。此外，脑组织中的不同区域对特定信号通路（如Wnt信号通路）表现出显著的差异化响应[12]。为进一步促进目标脑区的细胞分化与结构形成，可结合目标脑区特性调整诱导条件，从而优化类器官的功能特性和区域特异性[13]。尽管传统疾病模型在中枢神经系统肿瘤研究中取得了显著进展，但大多数传统细胞模型在模拟肿瘤与生理环境之间的相互作用和沟通方面存在一定的局限性，而传统动物模型则面临移植难度大、实验低通量以及缺乏与正常人类细胞交互等挑战[14]。与传统动物模型和细胞模型相比，脑类器官和中枢神经系统肿瘤类器官模型能够高度模拟肿瘤在体内的生理功能，仅需较少的种子细胞即可在适宜环境中通过三维结构长期培养，从而再现中枢神经系统肿瘤的复杂微环境及其动态变化。这种模型能够更真实地呈现中枢神经系统肿瘤的生物学特性，为疾病的机制研究和治疗策略开发提供了有力支持。
类器官提供了接近人类真实组织的模型，可用于测试中枢神经系统药物的疗效和毒性，或通过高通量药物筛选发现新的治疗靶点[9]。中枢神经系统肿瘤类器官不仅能够保留原始肿瘤样本在表型、遗传多样性和突变特征方面的特性，还可通过基因编辑技术或患者来源细胞，精确再现疾病相关遗传突变或建立个性化类器官模型。此外，与动物模型相比，类器官的应用可有效减少伦理争议，尤其是大多数类器官模型无需直接操控活体动物即可生成，符合动物福利的伦理要求[15]。2
针对中枢神经系统肿瘤的
类器官模型构建
目前，针对中枢神经系统肿瘤的类器官模型构建已发展出多种可靠方法，现重点阐述常见构建策略及其特点。
2.1
基于hPSCs的类器官模型构建
hPSCs是一类具有自我更新能力和多向分化潜能的细胞，几乎可分化为体内所有类型的细胞，主要包括人类胚胎干细胞（hESCs）和人类诱导多能干细胞（hiPSCs）。基于 hPSCs 的中枢神经系统肿瘤类器官模型在临床前研究中具有重要价值，可用于评估药物体外疗效、进行高通量药物筛选以及检测患者的特异性治疗反应。此外，hPSCs 在正常人类基因组背景下可模拟肿瘤的发生与发展，以支持在传统细胞培养环境中难以生长的患者样本，且可研究肿瘤与正常细胞之间的复杂相互作用[16]。早在2013年，Lancaster等[17]开创性地从胚胎体生成神经外胚层，在三维培养体系中维持其结构，并通过Matrigel包埋为神经外胚层提供更复杂的组织支架。这些Matrigel滴随后被转移至旋转生物反应器中，以增强营养吸收，从而快速促进脑组织发育，即脑类器官的生成。在培养8～10 d后，脑类器官即展现出神经元特征；而在20～30 d的培养期内，不同脑区的发育特征逐渐显现。研究者在这些脑类器官中检测到类似大脑皮层、脉络丛、视网膜以及脑膜等区域结构，同时显示了前脑、中脑和后脑等脑区特异性标志物。此外，该研究利用干扰RNA技术以及患者特异性的hiPSCs模型，成功模拟了一种人类神经发育障碍疾病——小头畸形（microcephaly），首次通过hPSCs构建脑类器官模型，为中枢神经系统疾病的病因与机制研究提供了全新的实验平台。2.2
基于患者来源肿瘤组织的类器官模型构建
应用患者来源类器官（PDOs）的肿瘤细胞培养形成肿瘤类器官，可高度模拟原发肿瘤的分子特征、组织异质性及药物敏感性，进而精确反映患者特定肿瘤的生物学特征。此类类器官模型特别适用于精准医学研究与个性化药物筛选。Abdullah团队收集了22例来源于患者的原发低级别胶质瘤组织样本，将其置于低氧环境（5%氧浓度）中进行培养，成功构建了20个胶质瘤类器官模型（涵盖WHO分级1～4级）[18]。这些类器官的基因表达谱与亲本肿瘤组织高度一致，并成功保留了肿瘤的干性特征、恶性增殖能力及血管形成潜力，为低级别胶质瘤的个性化医疗与药物研发提供了可靠的疾病模型。Song团队构建了一种基于PDOs的胶质母细胞瘤类器官（GBOs）模型，并建立了相应的生物库，提出了一种快速生成GBOs模型的创新方法，即直接将新鲜肿瘤标本置于明确培养基（defined medium）中培养，无需提前将肿瘤标本解离为单细胞，避免了外源生长因子或细胞外基质的添加，从而更好地保留了原始肿瘤的细胞结构和异质性[19]。通过组织学、分子生物学和基因组学分析，研究团队发现该生物库中的GBOs成功模拟了亲本肿瘤的组织学特征、细胞多样性、基因表达和突变谱，其快速、侵袭性生长特性在移植至成年啮齿动物大脑后成功表达。进一步研究显示，GBOs对放疗联合替莫唑胺（TMZ）治疗的反应与相应肿瘤的突变状态和富集通路一致。此外，研究团队还应用GBOs模拟了胶质瘤对个体化嵌合抗原受体T细胞免疫疗法（CAR-T）的反应，上述结果表明GBOs可作为胶质瘤个体化治疗策略的有力工具。这些基于患者来源肿瘤组织的类器官为中枢神经系统肿瘤的基础和转化研究提供了可靠的新工具，并为精准医疗决策研发奠定了坚实基础。近年来，患者来源异种移植类器官（PDXOs）模型作为一种创新疾病模型被广泛关注。该模型结合了患者来源肿瘤组织（PDT）与异种移植（Xenograft）技术，通过将患者肿瘤样本移植至免疫缺陷小鼠体内，允许肿瘤在动物体内扩展并生长，从而获得源自移植肿瘤的活性细胞以构建相应的类器官模型。
Lago团队通过PDOs和PDXOs类器官模型，测试了不同类型儿童脑肿瘤的疾病特征[20]。该研究表明，PDOs与PDXOs在组织学特征、DNA甲基化、突变谱、肿瘤异质性以及生物标志物的表达方面与原发肿瘤高度相似，且即使经过多代传代，两种肿瘤的类器官模型依然能够保留原肿瘤的基因组特征。特别是，PDXOs在DNA甲基化模式和拷贝数变异谱方面与亲本肿瘤相一致，进一步证明了其作为肿瘤模型的真实性和稳定性。此外，研究还发现，PDOs与PDXOs对标准治疗方案的药物反应与患者体内反应高度一致，表明该类器官可作为体外药物反应测试的可靠平台。PDXOs模型的建立不仅为精准医学提供了强有力工具，还为解决肿瘤样本不足问题提供了新的研究途径。基于hPSCs类器官与基于PDOs肿瘤组织类器官的比较详见表1。
表1 基于hPSCs类器官与基于PDOs肿瘤组织类器官的比较
2.3
结合基因编辑技术的类器官模型构建
在传统动物模型与细胞模型中，基因编辑技术被广泛用于精准模拟肿瘤相关基因突变、修改肿瘤微环境中细胞的基因表达，以及引入或敲除特定基因以研究肿瘤的耐药机制。同样，基因编辑技术也为类器官模型的优化提供了强有力工具。结合基因编辑技术，类器官模型能够精准引入或敲除肿瘤相关基因（如TP53和PTEN突变），并研究多基因突变的协同效应[12,21-22]。类器官的可控性使得研究者在时间与空间上能够精确调控基因编辑，同时确保实验的高度重复性。Byeon团队开发了基于视网膜上皮特异性玻璃样黄斑营养不良症启动子2的CRISPR/Cas9系统，成功实现了针对视网膜色素上皮的精准基因敲除，从而观察激光诱导的脉络膜血管再生抑制，而无需对神经视网膜进行不必要的基因敲除[21]。将目标基因通过CRISPR/Cas9系统导入类器官模型可借助多种技术手段。2018年，Bian团队应用人胚胎干细胞（hESCs）作为基础细胞培养脑类器官，在神经诱导培养基的作用下，胚状体分化为具备神经上皮结构的组织，展现出初步空间区域化特征。研究者通过电穿孔方法将 CRISPR/Cas9 系统导入神经上皮细胞，并通过转座子技术精确编辑肿瘤相关基因，从而在脑类器官模型中诱导肿瘤发生。通过调控不同基因组合，该研究成功构建了与胶质母细胞瘤或中枢神经系统原始神经外胚层肿瘤（CNS-PNETs）相对应的肿瘤类器官模型，为研究肿瘤发生机制和治疗靶点奠定了重要基础[22]。Meijboom团队则应用腺相关病毒（AAV）将CRISPR/Cas9系统导入患者来源的脑类器官模型中，成功验证了肌萎缩侧索硬化症和额颞叶痴呆的发病机制[23]。此外，肽[24]和脂质体[25-26]也常用于递送CRISPR/Cas9系统至干细胞中，但这些转染转导方法在脑类器官或神经系统肿瘤类器官模型中的应用尚需进一步研究验证。结合基因编辑技术构建类器官模型的示意图详见图1。图1 结合基因编辑技术构建类器官模型的示意图
CRISPR：同表1
2.4
基于共培养细胞的类器官模型构建
近年来，共培养技术在脑类器官和中枢神经系统肿瘤类器官模型的构建中取得了显著进展。该技术通过引入多种细胞类型及细胞外基质，模拟大脑发育和中枢神经系统肿瘤微环境中细胞间的相互作用[27-29]。共培养细胞在特定的培养基质中生长与分化，常用的支架材料包括水凝胶（如透明质酸基水凝胶）及生物可降解支架，这些基质不仅为细胞生长提供了环境基础，还为其提供了必要的结构支持，从而维持类器官的三维结构和良好功能[30]。 将共培养技术应用于类器官研究，可更准确地模拟大脑及中枢神经系统肿瘤的真实生理环境。Ahn团队为更真实地模拟大脑环境，将血管类器官与脑类器官模型共培养，模拟胚胎发育过程中神经血管的形成，成功构建了具有良好稳定性的血管系统脑类器官，为研究神经血管疾病提供了新的体外模型[27]。Bergmann团队将来源于hPSCs的脑微血管内皮细胞与星形胶质细胞共培养，构建了具有功能性紧密连接的血-脑屏障模型，其与体内血-脑屏障高度相似，可用于测试或预测不同药物在血-脑屏障的穿透性，为中枢神经系统药物筛选提供了可靠的体外平台[28]。共培养技术亦有助于构建脑转移癌模型，Qu团队将小细胞肺癌与脑类器官共培养，发现小细胞肺癌细胞通过分泌大脑发育因子Reelin，招募星形胶质细胞至脑转移灶，提出了预防和治疗小细胞肺癌脑转移的临床策略[31]。3
类器官模型的质量控制与评估标准
为确保类器官模型在开发、表征及应用中的可靠性和可重复性，从而推动研究的标准化实践，有必要建立系统的质量控制与评估标准。Lee团队提出了针对肠道类器官的关键质量指标，包括形态质量、细胞类型多样性、器官特异性功能及染色体核型鉴定，并进一步明确了肠道类器官质量评估的核心要素，包括类器官大小和形态特征、基本细胞类型组成、特定基因表达模式以及功能测试。同时，该团队强调了冷冻储存后类器官的活性、微生物污染检测、细胞鉴定及功能评估的重要性[32]。在脑类器官和中枢神经系统肿瘤类器官研究领域，其质量控制和评估标准逐渐成型。为验证脑类器官表型的可靠性和可重复性，研究人员从细胞水平、分子水平及功能水平进行多层次的综合分析[33-34]：在细胞层面，类器官模型的评估可通过检测特定细胞类型标志物（如PAX6和SOX2），结合高效的细胞计数分析平台（如CellProfiler、Imaris和ImageJ等）进行定性和定量分析，从而衡量类器官与真实人脑组织在细胞组成上的相似性。通过测量类器官的基本结构特征（如直径、周长和体积），并进行形态学分析，可进一步表征其整体生长及组织特性。此外，“细胞分箱（cell binning）”技术提供了一种定量评估不同分区细胞类型的手段，使研究者能够更细致地解析类器官的组织组成及发育过程。
在分子层面，可采用转录组分析（包括 bulk RNA-seq 和单细胞 RNA 测序）评估类器官的基因表达谱，定量分析其与真实人脑转录组的一致性。同时，靶向与非靶向代谢组学及质谱成像技术为研究类器官代谢提供了重要工具。这些技术能够揭示类器官代谢活动的全貌，从而更全面地表征其在分子层面的生物学特性。
在功能层面，类器官在体外可长期维持数月，这为其功能成熟度的深入研究提供了基础。多种技术手段已被用于类器官的功能分析，其中包括传统的膜片钳记录、电生理钙成像以及多电极阵列（MEA）技术，主要用于评估神经活动和网络特性。此外，代谢评估可将类器官的细胞代谢活动与培养环境和细胞应激反应（如线粒体应激）相结合进行分析。细胞应激在类器官的发育、成熟和细胞特化过程中发挥关键作用，同时影响类器官与胚胎组织在功能上的相似性[34]。因此，未来需整合多维度标准化代谢评估方案及数据分析方法，以进一步提高类器官在模拟人脑疾病研究中的保真度和应用价值。类器官模型的质量控制与评估标准详见表2。表2 类器官模型的质量控制与评估标准
4
类器官技术在中枢神经系统
肿瘤研究中的应用
4.1
原发性神经系统肿瘤
Urbaniak团队应用红色荧光蛋白标记的胶质母细胞瘤细胞与人类大脑类器官直接共培养，研究Monensin及其类似物对胶质母细胞瘤的抑制作用。结果发现，Monensin及其衍生物显著抑制了胶质母细胞瘤生长，并在共培养模型中验证了其潜在的抗肿瘤效果[53]。此外， Azzarelli团队通过选择3种不同来源的hiPSCs系构建了大脑类器官，并与胶质母细胞瘤干细胞（GSCs）进行共培养，旨在模拟原发肿瘤的细胞异质性。该研究发现，在共培养初期（1 d）GSCs即可在类器官表面被追踪到，提示了GSCs与类器官高效融合；在共培养7 d后，形成了完整的胶质母细胞瘤-类器官共培养体系，其中GSCs进一步分化，该研究为深入探讨胶质母细胞谱系提供了坚实基础[54]。脑膜瘤是最常见的原发性颅内肿瘤[55]，但其发病机制仍有待明确。Magill等[56]通过收集86个空间不同的人类脑膜瘤样本，结合RNA测序、DNA甲基化分析、拷贝数变异鉴定、定量MRI成像和组织病理学等多平台分析，揭示了脑膜瘤在基因表达、表观遗传学及MRI影像学特征上的异质性。该团队进一步将星形胶质细胞来源的hPSCs培养的脑类器官与患者来源的脑膜瘤细胞共培养，成功构建了脑膜瘤类器官模型。结合活体成像技术、单细胞RNA测序及CRISPR干扰（CRISPRi）技术，验证了高表观扩散系数标记的基因CDH2和PTPRZ1作为脑膜瘤潜在靶点的有效性。该研究将类器官技术与分子生物学技术、影像学技术创新性结合，为预测脑膜瘤治疗反应及开发个体化治疗策略提供了工具。尽管临床上高级别脑膜瘤已有标准治疗方案，但其预后仍不理想，且复发率较高。Huang团队将类器官技术应用于高级别脑膜瘤研究，首先应用单细胞RNA测序技术鉴定出1个独特的起始细胞亚群（SULT1E1+）[57]。基于此发现，该团队构建了一种新型的患者来源的脑膜瘤类器官模型，该模型不仅保留了肿瘤细胞的异质性，还包含了肿瘤微环境中的多种细胞类型（如巨噬细胞和T细胞）。在该模型中，SULT1E1+亚群通过调节M2型巨噬细胞的极化促进脑膜瘤进展与复发，这一结论在脑膜瘤类器官移植入免疫缺陷小鼠的实验研究中也得到了验证。此外，该研究还发现，化合物SRT1720联合放疗可显著降低SULT1E1的表达。该研究结合单细胞RNA测序和类器官技术，为研究高级别脑膜瘤的肿瘤微环境和开发新治疗方法提供了有力工具。类器官技术在儿童中枢神经系统肿瘤研究中的应用正逐步拓展。髓母细胞瘤作为一种主要影响儿童健康的恶性肿瘤，因其恶性程度和复发率高，亟需开展更多研究以改善患者预后[55]。van Essen团队为明确 Patched 1 (PTCH1) 基因在髓母细胞瘤中的作用，应用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术结合类器官技术，构建了纯合PTCH1缺失和杂合PTCH1突变的小脑类器官[58]。该研究发现，纯合PTCH1缺失的小脑类器官无法正常分化，表现出明显的发育异常，而杂合PTCH1突变的小脑类器官则表现出与髓母细胞瘤相关的早期基因表达改变，并显示出组织特异性SHH（Sonic Hedgehog）信号效应。该研究消除了既往研究中使用动物模型而无法避免小鼠与人类存在差异的问题，更真实地模拟了髓母细胞瘤疾病进展。室管膜瘤是儿童中枢神经系统常见的肿瘤之一，也是导致儿童癌症相关死亡的主要原因之一。Lago团队培养了患者来源的室管膜瘤类器官模型，成功保留了原始肿瘤的组织学特征、甲基化谱、基因突变谱和细胞异质性等关键特征，且对临床常用化疗药物（长春新碱、依托泊苷和环磷酰胺联合方案）的反应与临床治疗效果相似[20]。此外，这些室管膜瘤类器官在免疫缺陷小鼠脑内也可成瘤。该研究展示了室管膜瘤类器官在模拟原始肿瘤特征和药物反应方面的特征，为室管膜瘤的进一步研究打下了坚实基础。尽管类器官技术在原发性中枢神经系统肿瘤研究中的应用广泛开展，但仍有部分肿瘤的类器官模型研究尚未见报道，如脊索瘤类器官。随着类器官技术的不断发展，有望为更多原发性中枢神经系统肿瘤的基础与临床研究提供更有力的工具和新的研究思路。
4.2
转移性中枢神经系统肿瘤
脑转移瘤是癌症患者常见的并发症之一，尤其是肺癌、乳腺癌和黑色素瘤等。类器官能够模拟脑转移瘤的三维结构和微环境，为研究者提供接近机体内环境的模型系统，从而更好地揭示肿瘤的生物学特性以及肿瘤细胞向脑部转移的分子机制。
构建脑转移瘤类器官模型有多种方法，最常见的是共培养技术。Qu团队将小细胞肺癌细胞与人类皮层类器官融合，发现小细胞肺癌细胞能够招募反应性星形胶质细胞至肿瘤微环境中，在肿瘤微环境中的星形胶质细胞发挥了促进肿瘤生长的作用，模仿了大脑发育过程中星形胶质细胞的神经保护功能，为研究小细胞肺癌脑转移机制提供了新视角[31]。Wang团队则将人类胚胎干细胞衍生的大脑类器官与多个人类乳腺癌细胞系共培养，发现不同细胞系的侵袭和扩张能力存在显著差异，表明不同乳腺癌细胞系的脑转移潜力亦存在不同[59]。进一步研究发现，乳腺癌细胞能够与脑类器官中的神经元及星形胶质细胞产生相互作用，为乳腺癌脑转移机制的研究提供了新策略。除共培养技术外，还可使用特定的培养基构建脑转移瘤类器官。Fitzpatrick团队从乳腺癌脑膜转移瘤患者的脑脊液中分离出播散性肿瘤细胞，并将其置于一种特制的培养基中培养，该培养基由OcellO培养基与等体积的脑膜细胞条件培养基混合而成，并根据需要补充神经调节蛋白-1等物质，或补充17 β-雌二醇以构建雌激素受体阳性的乳腺癌脑膜转移瘤类器官模型，从而更精准地模拟乳腺癌脑膜转移瘤的细胞外基质及外环境[60]。该团队成功构建了乳腺癌脑膜转移瘤类器官模型，不仅在组织学特性上与患者来源的乳腺癌脑膜转移瘤高度相似，且基因表达谱亦表现出一致性，表明乳腺癌脑转移瘤患者脑脊液中的播散细胞作为可靠的检测样本，可以降低临床获取乳腺癌脑转移瘤活检标本的难度。此外，该研究团队还对这些类器官进行甲氨蝶呤药物反应测试，结果显示不同来源的类器官模型对药物的反应存在差异。将这些类器官模型移植入免疫缺陷小鼠的乳腺脂肪垫中，发现乳腺癌脑膜转移瘤类器官表现出对内分泌器官强烈的转移倾向，这一发现与小叶癌的转移特征一致。该研究成功模拟了乳腺癌脑膜转移瘤的特征，不仅加深了对脑膜转移瘤机制的理解，还为未来脑膜转移瘤的临床检测和治疗提供了新思路和新工具。
此外，Hicks团队创新性使用悬浮细胞培养技术，成功构建了黑色素细胞瘤脑转移瘤类器官模型。该研究将新鲜的黑色素瘤脑转移瘤组织样本分割成小块后，直接置于黑色素瘤类器官完全培养基中进行培养。经过2～4周的培养，这些手术移植类器官（SXOs）逐渐成熟，形成了黑色素瘤脑转移瘤类器官[61]。此类器官模型不仅保留了原始肿瘤的组织学特征，如多形性上皮样细胞、丰富的细胞核、SOX10强阳性表达等，还表现出对BRAF抑制剂（Dabrafenib）和MEK抑制剂（Trametinib）的药物反应敏感性。该研究首次成功构建了无支架黑色素瘤类器官模型，为SXOs的转化应用奠定了坚实基础，并为研究黑色素瘤脑转移瘤的微环境和药物反应提供了新工具。4.3
药物筛选与治疗研究
尽管常见中枢神经系统肿瘤的诊疗方法和发病机制已有较成熟的研究，然而中枢神经系统肿瘤的致死率及复发率依然维持在较高水平，且部分抗肿瘤药物的耐药机制尚未完全阐明。这可能与现有临床前模型与患者真实治疗情况之间存在较大差距相关。Golebiewska团队应用胶质瘤患者的新鲜肿瘤样本构建了胶质瘤类器官模型，涵盖多种胶质瘤亚型，包括具有IDH1突变的胶质瘤，并涉及原发性与复发性胶质瘤研究[62]。这些脑类器官模型在组织病理学、遗传学、表观遗传学及转录组学特征上与亲本肿瘤高度一致，且通过高通量药物筛选，其对TMZ治疗的反应与MGMT启动子甲基化状态密切相关。该研究发现，胶质瘤类器官模型对TMZ的药物反应曲线下面积（AUC）介于200～600之间，且具有甲基化MGMT启动子的肿瘤类器官模型对TMZ表现出更弱的抗药性，这一结果与临床试验数据高度一致。此外，研究还发现，双功能烷化剂VAL-083能够有效克服胶质瘤对TMZ的耐药性，表明类器官模型可广泛用于高通量药物筛选，并提供临床相关药物反应数据，有助于发现新的靶向治疗策略和开展疗效评估[63]。类器官作为更精准的临床前模型，有望加速新治疗策略的开发。国内Peng团队构建了一种新型个体化患者肿瘤类器官（IPTO）模型，该模型将来自中国和德国的患者肿瘤组织植入由iPSCs建立的迷你脑类器官（mini-brain）模型，创建了包含326个脑肿瘤类器官模型库，涵盖了48种脑肿瘤类型，包括原发性及转移性脑肿瘤[64]。检测结果表明，IPTO模型真实地保留了患者肿瘤的细胞异质性和分子病理学特征。值得注意的是，IPTO模型在前瞻性临床研究中亦表现出色，能够精准预测患者对TMZ化疗的反应。与临床上基于MGMT启动子甲基化状态的TMZ药物反应预测相比，IPTO模型的预测效果更优。此外，IPTO模型仅需3周即可完成对TMZ药物反应的预测，能够为临床治疗提供快速指导。随着类器官技术的不断发展，相信未来将出现更多快速、便捷的诊疗工具，为个体化医疗提供支持。5
类器官技术面临的挑战
了解类器官技术在中枢神经系统肿瘤研究领域的局限性和面临的挑战对于其应用至关重要。类器官的生成相较于单层细胞培养成本更昂贵，且需要更长时间才能分化出多种神经细胞类型。此外，类器官的培养和维持过程也需要复杂的材料、设备及精细的技术操作，且研究人员的培训也需要较长时间。在长期培养过程中，类器官可能面临退化和功能丧失的问题[14,65]。在模型的完整性方面，脑类器官和中枢神经系统肿瘤类器官的主要限制是缺乏脉管系统、血-脑屏障及免疫细胞参与，这些要素未在模型中充分再现。目前，众多研究致力于改进类器官的构建策略，优化类器官与相关微环境的动态交互作用，力求在未来实现更为准确的脑肿瘤建模[14,54,66]。此外，目前仍缺乏标准化规范对类器官的质量及其异质性进行全面评估。不同实验室间的培养条件和方法存在较大差异，同时不同类器官间的异质性也较高，这些因素可能导致类器官在结构和功能上的差异，进而影响实验结果的可重复性。尽管类器官技术展现出较大的医学潜力，但也面临着不可忽视的伦理挑战。部分学者指出，类器官涉及的伦理道德影响人们对其所持的态度和行为方式，特别是在脑类器官研究中，评估其伦理道德的关键在于辨识其是否具备道德层面的意识。随着技术的进步，未来可能培养出具有类人感知能力的脑类器官，这就要求研究者在推动类器官研究的同时，谨慎处理相关伦理问题，以确保技术的健康发展和社会和谐[67]。6
小结
类器官更接近真实病理生理状态，可模拟器官的功能特性及疾病的发生和发展，能够弥补传统细胞培养和动物模型的不足。通过与其他前沿技术（如基因编辑技术、单细胞组学等）结合，类器官技术在中枢神经系统肿瘤研究中的应用将进一步提升，展现其在精准医学领域的应用潜力。随着技术的不断进步，类器官在稳定性、可重复性及模型精准度等方面面临的挑战有望得到解决。在合理的伦理道德框架下，类器官技术有望推动中枢神经系统疾病研究的不断深入，进一步加速从实验室研究向临床应用的转化。
（本文编辑：李玉乐）
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作者贡献
王子聪负责文献调研、初稿撰写、绘制图表、论文修订及校对；赵雅慧参与初稿修订、讨论及校对；苑可欣参与初稿修订；赵元立负责论文框架与核心观点确定、学术质量把控。
第一作者
北京协和医院
王子聪
医学博士，主要研究脑血管疾病。北京市神经外科研究所硕士，主要研究周围神经损伤修复。
通信作者
北京协和医院
神经外科主任，主任医师，教授，博士生导师。《中华神经外科杂志（英文版）》编辑部主任，中华医学会神经外科分会委员。主要从事疑难复杂脑血管病等方面的临床和基础研究工作。
2010年创刊，国家卫生健康委主管、中国医学科学院北京协和医院主办的综合性医学期刊，已被评为“中国科技核心期刊”“中国科学引文数据库(CSCD)来源期刊”和“中文核心期刊要目总览（北大中文核心）期刊”，被 Scopus 和 DOAJ 数据库收录，入选“中国科技期刊卓越行动计划”项目。
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来源：协和医学杂志
