含小胶质细胞的人脑类器官（microglia-containing human brain organoids，MC-HBOs）将神经细胞、胶质细胞与中枢神经系统固有免疫细胞整合于三维培养体系，可用于分析小胶质细胞在脑发育、神经炎症和神经退行性病变中的作用。与二维培养及缺乏免疫组分的常规脑类器官相比，该模型更适合研究人源神经—免疫细胞互作、疾病相关表型和候选药物反应。

        关键词：小胶质细胞；脑类器官；MC-HBOs；诱导多能干细胞；神经炎症；阿尔茨海默病；帕金森病；三维培养

1 小胶质细胞的发育与功能定位

1.1 发育来源

        小胶质细胞主要来源于胚胎卵黄囊中的原始髓系前体细胞。前体细胞在中枢神经系统发育早期进入脑组织，经过迁移、定植和成熟后形成具有自我更新能力的小胶质细胞群体，其发育来源和维持方式不同于多数由骨髓造血系统持续补充的外周免疫细胞。

图1 小胶质细胞的发育来源、稳态维持与衰老相关变化

1.2 稳态表型

        成熟稳态小胶质细胞可表达TMEM119、P2RY12、CX3CR1和HEXB等标志物，其转录状态和功能特征受到神经元、星形胶质细胞、细胞外基质及可溶性因子的持续调节。TGF-β相关信号对稳态表型维持具有重要作用，小胶质细胞脱离脑组织环境或长期处于非适宜培养条件时，可能出现P2RY12和TMEM119下降、炎症相关信号升高及吞噬行为改变。

1.3 脑组织稳态维持

        小胶质细胞广泛分布于脑和脊髓，可持续监测局部微环境，识别细胞损伤、异常蛋白沉积和病原相关信号，并参与凋亡细胞及细胞碎片清除。其功能还包括调节神经递质和细胞因子环境、支持神经元存活、参与突触修剪以及维持神经网络结构稳定。

1.4 发育与突触重塑

        在脑发育过程中，小胶质细胞可通过吞噬多余神经前体、清除发育性凋亡细胞和选择性修剪建立。突触修剪不足可能造成异常连接保留，修剪过度则可能损害网络完整性，因此研究小胶质细胞不能只检测吞噬能力，还需结合突触数量、神经元成熟度和电生理活动判断其功能后果。

1.5 衰老相关变化

        衰老小胶质细胞可出现突起减少、细胞体增大、迁移能力下降、溶酶体负担增加和炎症调节异常。持续蛋白聚集、氧化应激及代谢失衡还可能使其由稳态监测状态转向疾病相关反应状态，影响异常蛋白清除、突触保护和炎症消退。

2 小胶质细胞功能失调与脑疾病

2.1 阿尔茨海默病

        在阿尔茨海默病中，小胶质细胞参与Aβ识别、摄取和降解，也可围绕淀粉样斑块形成局部反应结构。其早期反应可能有助于限制异常蛋白扩散，但持续激活、溶酶体处理不足或TREM2相关信号异常可能降低清除效率，并促进炎症介质释放、补体活化和突触丢失。

2.2 Tau相关病理

        异常磷酸化和聚集的Tau可从受损神经元释放并影响邻近细胞。小胶质细胞能够摄取胞外Tau，但吞噬后降解不充分时，可能形成持续的细胞应激，并影响Tau在神经组织中的传播。含小胶质细胞脑类器官可用于区分Tau直接神经毒性与小胶质细胞介导的继发性炎症损伤。

2.3 帕金森病

        帕金森病相关模型中，小胶质细胞可对α-突触核蛋白聚集、线粒体损伤及多巴胺能神经元死亡作出反应。持续炎症信号可能加重氧化应激和神经元损伤，而适度吞噬和神经营养支持则可能限制异常蛋白和细胞碎片积累。

2.4 神经精神与神经免疫性疾病

        小胶质细胞异常还与精神分裂症、自闭症、双相情感障碍和多发性硬化症等疾病相关。不同疾病中的小胶质细胞状态可能涉及突触修剪异常、髓鞘碎片清除不足、抗原呈递增强或炎症因子持续释放，不能简单归纳为单一“促炎”或“抗炎”表型。

3 传统研究模型的局限

3.1 动物模型

        动物模型能够保留血管、神经回路和系统免疫等整体环境，适合研究疾病进程和行为表型，但人类与实验动物在脑发育时序、小胶质细胞转录特征、免疫反应和疾病易感基因方面存在差异，部分人源特异性病理和药物反应难以准确重现。

3.2 二维小胶质细胞培养

        二维培养便于控制变量和开展高通量实验，但缺乏三维组织结构、细胞外基质和复杂细胞互作。iPSC来源小胶质细胞在二维培养中可能快速改变形态和转录状态，部分稳态标志物下降，导致其对炎症刺激和异常蛋白的反应偏离脑内状态。

3.3 人源细胞—动物嵌合模型

        将人源小胶质前体细胞移植至动物脑组织，可为细胞成熟提供相对完整的组织环境，但仍受宿主物种、免疫条件、移植效率和跨物种信号匹配限制。该模型适合验证细胞在体内的长期定植和反应，却不易用于大规模患者特异性筛选。

3.4 常规脑类器官

        许多定向神经分化体系主要形成神经元、神经前体和部分星形胶质细胞。由于小胶质细胞来源于中胚层相关髓系谱系，常规神经外胚层类器官通常缺少小胶质细胞，限制了模型在神经炎症、异常蛋白免疫清除和神经—免疫互作研究中的应用。

表1 不同小胶质细胞研究模型的技术特征

4 含小胶质细胞脑类器官的构建策略

4.1 起始细胞准备

        MC-HBOs通常以人诱导多能干细胞（hiPSCs）或人胚胎干细胞为起始材料。细胞应保持稳定多能性、正常核型和较低分化背景，起始克隆状态、传代次数、细胞密度及冻融恢复时间均会影响后续神经类器官形成和髓系分化效率。

4.2 神经类器官组分形成

        多能干细胞经神经诱导后形成神经外胚层结构和神经前体细胞，并在悬浮或基质包埋条件下进一步形成三维神经组织。培养过程中需控制聚集体大小、基质批次、营养扩散和区域化信号，过大的类器官容易形成中心缺氧和坏死，进而非特异性激活小胶质细胞。

4.3 小胶质前体细胞分化

        多能干细胞可通过中胚层、造血样和髓系前体阶段逐步分化为小胶质前体细胞。M-CSF、IL-34、GM-CSF和TGF-β等信号可分别参与髓系细胞存活、CSF1R相关成熟和稳态表型建立，但具体组合应根据分化阶段设置，避免将高表达CD68或强吞噬能力直接等同于成熟稳态小胶质细胞。

4.4 外源整合策略

        外源整合是先分别制备脑类器官和小胶质前体细胞，再于适宜时间将小胶质细胞加入类器官培养体系。该方法便于独立控制两类细胞的质量和加入比例，但整合时间过早可能干扰神经组织形成，整合时间过晚则可能导致小胶质细胞主要停留于类器官表面。

4.5 共分化策略

        共分化体系通过保留或引入中胚层相关细胞，使小胶质细胞在类器官发育过程中同步形成。该策略有利于建立更连续的发育互作，但不同批次中小胶质细胞比例和空间分布可能波动，需通过多标志物和单细胞分析确认细胞组成。

4.6 融合与组装策略

        可将含有不同区域神经细胞或髓系细胞的类器官单元进行融合，形成具有特定脑区和免疫组分的组装类器官。该方法适合研究小胶质细胞迁移、脑区特异性反应和跨区域神经网络，但需要区分融合界面效应与真实疾病表型。

5 三维微环境中的小胶质细胞成熟

5.1 神经细胞信号

        神经元可通过CX3CL1、CD200和嘌呤能信号调节小胶质细胞监测、迁移及炎症阈值。神经元成熟度不足或广泛死亡会改变这些稳态信号，使小胶质细胞出现非生理性激活，因此小胶质细胞状态应结合神经元存活和网络成熟程度解释。

5.2 星形胶质细胞与基质调控

        星形胶质细胞可调节细胞因子、脂质和代谢底物环境，并参与维持神经组织稳态。层粘连蛋白、胶原蛋白及其他细胞外基质成分还会影响小胶质细胞迁移和形态，基质组成或硬度变化可能造成吞噬和炎症表型差异。

5.3 TGF-β与CSF1R相关信号

        TGF-β有助于维持小胶质细胞稳态转录特征，M-CSF和IL-34则通过CSF1R相关信号支持细胞存活和成熟。不同因子之间并非简单叠加关系，浓度过高、处理时间过长或缺乏神经组织信号均可能使细胞偏向巨噬细胞样状态。

5.4 营养与氧扩散

        类器官内部营养和氧扩散不足可造成中心坏死、乳酸积累和细胞应激，继而诱导小胶质细胞向坏死区聚集。研究中应控制类器官直径、培养液交换、摇床条件和培养周期，并将缺氧相关反应与疾病特异性炎症分开分析。

6 MC-HBOs的表征体系

6.1 细胞身份

        小胶质细胞身份应结合IBA1/AIF1、P2RY12、TMEM119、CX3CR1、HEXB和TREM2等标志物判断，其中IBA1和CD68并非小胶质细胞特异性标志。仅检测泛髓系或溶酶体标志物，无法区分稳态小胶质细胞、活化小胶质细胞和巨噬细胞样细胞。

6.2 空间整合

        应通过组织切片、共聚焦层扫或三维成像确认小胶质细胞进入类器官内部，并分析其在神经元层、坏死区、异常蛋白沉积区和类器官表面的分布。仅检测类器官总体标志物表达，不能证明小胶质细胞已完成有效空间整合。

6.3 细胞形态

        稳态样小胶质细胞通常具有较小细胞体和分支状突起，受到炎症刺激或组织损伤后可出现突起回缩、细胞体增大和迁移聚集。形态变化能够反映细胞反应，但不能单独确定功能方向，应与转录状态、吞噬能力和炎症输出联合分析。

6.4 吞噬和降解功能

        可使用凋亡细胞、荧光颗粒、髓鞘碎片或标记的Aβ评估小胶质细胞摄取能力，并进一步检测底物与溶酶体共定位及荧光信号衰减。摄取增加不一定代表有效清除，若溶酶体降解能力不足，吞噬底物可能在细胞内持续积累。

6.5 炎症反应

        可检测NLRP3、Caspase-1、GSDMD及炎症因子变化，分析小胶质细胞对异常蛋白、细胞损伤和外源刺激的应答。炎症反应具有时间依赖性，早期受控反应可能有利于清除，而持续炎症更可能导致突触损伤和神经元功能下降。

6.6 神经组织功能

        模型评价还应覆盖神经元数量、NeuN等成熟标志、突触蛋白、神经突起结构和电生理活动。小胶质细胞标志物发生变化只能说明免疫组分受到影响，只有同步出现神经组织结构或功能改变，才能确定其疾病建模意义。

表2 MC-HBOs的主要评价指标

7 MC-HBOs的模型优势

7.1 人源神经—免疫互作

        MC-HBOs可在相同人源遗传背景下同时观察神经细胞和小胶质细胞反应，减少跨物种信号差异，并能够区分神经元内在异常与免疫细胞介导的继发性损伤。

7.2 发育过程研究

        将小胶质细胞引入发育中的脑类器官，可分析其对神经前体细胞增殖、神经元成熟、突触形成和网络重塑的影响。该模型尤其适合研究小胶质细胞出现时间、比例和成熟状态对脑发育结果的影响。

7.3 神经炎症研究

        三维模型可保留局部信号梯度、细胞迁移和组织损伤区域，使小胶质细胞能够对局部病理刺激形成空间性反应。与二维培养相比，MC-HBOs更适合评价炎症反应对神经组织整体结构和功能的影响。

7.4 患者特异性建模

        患者来源hiPSCs可用于构建具有特定遗传变异的脑类器官和小胶质细胞，并通过同基因背景校正或基因编辑建立对照。该方法有助于分析TREM2、APOE及其他风险基因在神经细胞和小胶质细胞中的细胞类型特异性作用。

7.5 药物筛选

        MC-HBOs可用于比较候选药物对异常蛋白积累、小胶质细胞吞噬、炎症反应和神经元存活的综合作用。药物筛选不应只根据炎症因子下降判定有效，还需确认是否改善异常蛋白清除、突触结构和神经网络功能。

8 神经退行性疾病建模

8.1 Aβ诱导模型

        可向类器官中加入Aβ单体、寡聚体或纤维，研究小胶质细胞迁移、吞噬和炎症反应。不同聚集状态具有不同生物学活性，实验应明确Aβ制备、预聚集、浓度、处理时间和储存条件，并设置乱序肽或溶剂对照。

8.2 Tau病理模型

        Tau相关模型可通过外源Tau蛋白、基因变异或长期培养诱导异常磷酸化和聚集。评价时应同时分析Tau水平、小胶质细胞摄取、溶酶体降解、炎症反应及神经元轴突结构，避免将总Tau升高直接解释为小胶质细胞清除不足。

8.3 帕金森病模型

        在中脑或多巴胺能神经元相关类器官中引入小胶质细胞，可研究α-突触核蛋白、线粒体损伤和神经炎症之间的联系。GDNF等神经营养信号可用于分析神经元存活和保护反应，但应区分其直接神经保护作用与对小胶质细胞状态的间接影响。

8.4 炎症小体模型

        可采用炎症预刺激联合ATP等第二信号诱导NLRP3炎症小体，并使用MCC950等抑制剂验证通路依赖性。处理条件应避免造成类器官大范围非特异性死亡，同时需检测Caspase-1、GSDMD及神经元损伤指标。

8.5 药物干预模型

        候选药物可针对异常蛋白聚集、吞噬受体、炎症小体、神经营养信号或小胶质细胞代谢进行干预。药物评价应设置不含小胶质细胞的脑类器官对照，以判断作用来源于神经细胞直接效应还是小胶质细胞介导效应。

9 含小胶质细胞脑类器官培养、表征与疾病建模相关产品

9.1 三维基质、神经培养与信号调控产品

9.2 小胶质细胞分化、神经存活与血管化产品

9.3 小胶质细胞表征、神经炎症与疾病建模产品

        含小胶质细胞脑类器官能够将人源神经组织结构、小胶质细胞免疫反应和疾病相关刺激整合于同一三维模型。通过控制小胶质细胞的分化阶段、整合比例和类器官成熟度，并结合空间定位、吞噬降解、炎症信号和神经网络功能评价，可提高该模型在神经退行性疾病研究和药物筛选中的解释力。

参考文献

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