综述文章

作为研究中枢神经系统感染的新平台：脑类器官在神经病理发生、治疗发现和药物递送中的应用

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DOI：

10.3791/70757

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2026年8月7日

 ,  ,  , 
1Laboratory of Molecular Virology, George Mason University

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本文综述了脑类器官作为研究特定嗜神经病毒感染的模型平台，并重点介绍了其在病毒致病机制、抗病毒药物发现、先天免疫反应以及中枢神经系统（CNS）靶向药物递送中的应用。

摘要

嗜神经病毒仍然是全球公共卫生领域持续存在的挑战，其损害人类大脑的机制尚未被完全阐明。动物模型常因中枢神经系统（CNS）生物学中的人类特异性特征而受限，而二维（2D）细胞培养体系则无法重现病毒感染大脑过程中复杂的三维（3D）细胞相互作用。在过去十年中，由人类干细胞衍生的脑类器官作为一种生理相关性较高的模型应运而生，有效弥补了上述局限。这些3D培养结构可自我组装，形成包含神经元、星形胶质细胞和前体细胞的组织，其排列模式类似于早期脑发育过程。本文综述了脑类器官在研究寨卡病毒（ZIKV）、严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）、单纯疱疹病毒（HSV）和人类免疫缺陷病毒1型（HIV-1）感染中的应用。相关研究通过PubMed检索筛选，并根据其与类器官为基础的中枢神经系统感染建模、抗病毒药物筛选、靶向中枢神经系统的药物递送以及神经炎症研究的相关性进行初选。基于类器官的抗病毒筛选已从包含超过1000种候选化合物的文库中鉴定出具有潜力的化合物。本文还讨论了药物递送策略，特别关注纳米颗粒、聚合物载体和细胞外囊泡（EVs）在类器官和球状体模型中的应用，评估其穿越血脑屏障（BBB）并将治疗性载荷递送至神经细胞的能力。此外，本文探讨了损伤相关分子模式和病原体相关分子模式（DAMPs和PAMPs）在神经炎症、补体系统逃逸以及慢性感染后损伤（包括长新冠）中的作用。当前的局限性也一并讨论，包括缺乏功能性脉管系统、血脑屏障组分不完整以及可重复性方面的挑战。尽管存在这些限制，中枢神经系统类器官仍架起了基础研究与临床应用之间的桥梁，推动了针对脑部病毒感染的有效疗法的开发。

引言

中枢神经系统（CNS）是一个复杂的系统，由大脑和脊髓中不同功能的区域组成。中枢神经系统类器官常被称为“迷你大脑”，是模拟发育中人脑的三维（3D）多细胞结构。它们主要由人多能干细胞（hPSCs）生成，这些细胞可自组装形成代表多种脑区的组织。这些迷你大脑可重现发育中大脑的表观遗传模式、结构以及转录标志物1,2,3。

利用患者来源的诱导性多能干细胞（iPSCs）生成脑类器官的技术最早于2013年建立4在这一发现之前，由于与开展实验研究相关的伦理问题，尤其是涉及胎儿或 在子宫内 脑组织2脑类器官的发展展示了模拟人类神经发育的能力，包括大脑皮层等不同脑区的形成。Lancaster 等 首次通过实验证据证明干细胞能够形成复杂的神经结构 体外，提供了一种比传统二维（2D）细胞培养更准确反映人体生理特征的模型5重要的是，某些人类神经发育疾病（如小头症）已被证实难以在啮齿类动物模型中复制，这进一步凸显了对人类来源系统的迫切需求6.

中枢神经系统类器官包含多种细胞类型，这些细胞可分化并形成类似于发育中大脑的多层结构7，因此非常适合用于神经发生、神经元迁移以及发育异常的高通量研究8。中枢神经系统类器官的制备始于多能干细胞（PSCs），包括诱导多能干细胞（iPSCs）和胚胎干细胞。通过将胚胎干细胞暴露于生长因子和信号通路抑制剂中，可促进其向神经细胞分化，并模拟早期胚胎发育过程2。当细胞开始聚集后，它们会在三维环境中进行自我组织，通常被包埋在细胞外基质中以提供结构稳定性。随后，类器官通常在动态培养条件下维持培养，例如使用旋转式生物反应器或轨道振荡，以增强营养物质和氧气的输送，支持持续生长9。利用引导性方案在微型旋转生物反应器中，还可生成前脑、中脑和后脑等特定区域的类器官，典型的大脑样区域通常在数周至数月内逐渐形成9,10,11。中枢神经系统类器官能够再现发育中人脑的许多关键结构特征，包括含有放射状胶质细胞的脑室样区域，这些胶质细胞为迁移的神经元提供支架，以及可扩增神经元数量的中间前体细胞12。早期神经元形成类似皮层的分层结构，并逐步建立突触网络。尽管类器官无法完全复制成熟大脑的大小或组织结构，但其生理相关性仍优于传统的单层培养模型。

中枢神经系统类器官的一个主要优势在于其能够模拟发育的时间进程。培养物在数周至数月内逐步发育，与人类胎儿大脑的发育过程相平行。这使得研究人员能够实时观察神经发生、轴突延伸以及早期神经环路形成等神经生物学过程。类器官还可被编程以包含小胶质细胞、类似血管的细胞，甚至血脑屏障（BBB）的组分，例如星形胶质细胞、内皮细胞和周细胞。这些类器官可支持对免疫反应和物质转运的研究13。此外，类器官可被组合形成“组装体”（assembloids），这是一种可自我组织的系统，用于模拟不同脑区之间的相互通讯14。凭借这些能力，中枢神经系统类器官为研究嗜神经病毒如何侵入大脑、在其中复制并造成损伤提供了直接途径，而这些问题长期以来难以通过传统模型加以解决。

影响人类大脑的嗜神经病毒种类繁多，包括黄病毒、严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）、单纯疱疹病毒（HSV）和人类免疫缺陷病毒1型（HIV-1）。开发有效的抗病毒疗法至关重要，但由于病毒与大脑之间相互作用的复杂性，这一目标仍面临巨大挑战。大脑被认为是免疫豁免器官，这得益于血脑屏障（BBB）的支持，后者可阻止血液中的大型免疫细胞和分子进入大脑。

嗜神经病毒已进化出多种策略以突破这一屏障，包括跨细胞迁移、破坏紧密连接，以及“特洛伊木马”机制，即被感染的免疫细胞携带病毒穿过内皮层4。因此，大脑中的免疫监视受到限制，使得病毒清除更加困难。此外，血脑屏障（BBB）的细胞成分，包括内皮细胞、星形胶质细胞和周细胞，均表达模式识别受体，可识别病毒病原体相关分子模式（PAMPs）并启动先天免疫反应，然而促炎信号通路可能反而加剧血脑屏障的破坏15。另外，获取人脑组织样本的困难限制了对病毒与神经细胞相互作用的研究，也阻碍了强效抗病毒药物向中枢神经系统（CNS）的递送。这些综合挑战阻碍了针对各个发育阶段及全生命周期病毒性感染的新抗病毒药物的研发，因此迫切需要更深入地理解病毒与大脑之间的相互作用，并开发新的治疗策略以应对这些感染16。总体而言，本综述强调了中枢神经系统类器官在研究嗜神经病毒感染、神经炎症机制以及抗病毒药物发现中的应用价值。图1概述了脑类器官在模拟嗜神经病毒感染、探究宿主-病原体相互作用以及推动抗病毒治疗开发方面的主要应用。

三维脑类器官示意图；神经侵袭、抗病毒筛选、神经学研究中的治疗策略
图1：脑类器官作为模拟嗜神经性中枢神经系统病毒感染的人源相关平台。 本图概述了所涉及的关键主题，重点介绍三维（3D）脑类器官作为实验模型的应用。本综述讨论的嗜神经病毒包括HIV-1、HSV-1/2、SARS-CoV-2和ZIKV。不同的脑类器官模型可用于研究病毒致病机制、宿主-病原体相互作用、血脑屏障（BBB）功能障碍以及涉及神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞和脑血管内皮细胞的神经炎症反应。脑类器官为抗病毒药物筛选和抗病毒疗法评估提供了生理学上高度相关的研究平台。使用BioRender绘制。Kashanchi, F. (2026) https://BioRender.com/y7eenju 请点击此处查看该图的高清版本。

综述与观点

病毒感染脑类器官中的治疗发现

抗病毒筛选

目前许多嗜神经病毒性感染尚无获批的疗法，导致治疗选择仅限于支持性护理。脑类器官是一种发现新型抗病毒化合物的有力工具，它能够在生理相关、类似人类脑组织的三维 环境中进行药物筛选。在一项初步研究中，研究人员在类胎儿脑类器官中对1,120种经美国食品药品监督管理局（FDA）批准的药物和候选药物进行了高通量化学筛选，以对抗寨卡病毒（ZIKV）。抗病毒活性的评估依据是细胞增殖情况以及ZIKV感染的抑制程度。在所有被测试的化合物中，有九种显示出潜在效果，其中两种化合物——溴氢酸石蒜碱（hippeastrine hydrobromide, HH）和二盐酸阿莫地喹二水合物（amodiaquine dihydrochloride dihydrate, AQ）——因其显著的抗病毒作用而尤为突出，能够通过抑制病毒RNA的生成显著降低感染水平17。

随后的多项研究探索了靶向病毒生命周期不同阶段的化合物。在渡边（Watanabe）的研究中 等25-羟基胆固醇（25HC）是一种通过抑制膜融合来阻断病毒进入的化合物，可使皮质类器官中的寨卡病毒（ZIKV）mRNA水平降低约74%，ZIKV阳性细胞减少约72%。此外，该研究还评估了靶向神经前体细胞上表达的AXL受体的抗病毒化合物。AXL酪氨酸激酶结构域的小分子抑制剂R428使ZIKV mRNA水平适度降低约41%。然而，使用抗AXL抗体治疗并未显著降低ZIKV mRNA水平。18最后，在类器官中测试了三种抗黄病毒药物：达拉霉素（duramycin）、伊维菌素（ivermectin）和阿奇霉素（azithromycin）。RT-qPCR 和免疫染色结果显示，达拉霉素和伊维菌素显著降低了寨卡病毒（ZIKV）的 mRNA 水平，而阿奇霉素对寨卡病毒无保护作用。18.

在另一项研究中，Xu et al. 筛选了173种化合物，以寻找可抑制寨卡病毒（ZIKV）诱导的caspase-3活性的抑制剂，并鉴定出emricasan是最具神经保护潜力的候选药物，且不影响脑类器官中的细胞增殖。另外两种化合物，niclosamide和PHA-690509，在进入细胞后的阶段以剂量依赖方式抑制病毒复制，表现出显著的抗ZIKV活性。此外，联合使用emricasan与PHA-690509产生了相加效应，并在ZIKV感染后维持了星形胶质细胞的存活率19。在另一项研究中，一种RNA干扰（RNAi）增强剂enoxacin在具备RNAi功能的细胞中表现出直接的抗病毒活性，并完全阻止了脑类器官中ZIKV诱导的小头畸形表型，提示增强神经前体细胞内的固有抗病毒通路可能是一种可行的治疗策略20。

Pettke 等随后在寨卡病毒（ZIKV）感染的类器官中，以多个剂量对110种TH3289的结构类似物进行了筛选21。其中两种化合物TH3289和TH6744表现出最强的抗病毒活性，且活性最强的化合物均具有苯并咪唑酮核心结构。该研究具有重要意义，因为类器官系统不仅实现了化合物的快速筛选，还可用于后续机制研究。例如，研究发现TH6744可干扰寨卡病毒生命周期的晚期阶段21。

脑类器官还被用于鉴定针对SARS-CoV-2感染的潜在治疗药物。一种经美国食品药品监督管理局（FDA）批准的抗丙型肝炎病毒药物索非布韦（sofosbuvir），可提高SARS-CoV-2感染脑类器官中神经元的存活率，并挽救受损的突触发生过程22。脑类器官也有助于理解HSV-1介导的中枢神经系统感染；然而，相较于寨卡病毒（ZIKV）和SARS-CoV-2的研究，针对HSV-1的抗病毒药物筛选在类器官模型中的研究仍较为有限。一项里程碑式的研究利用诱导多能干细胞（iPSC）来源的神经元表明，TLR3缺陷使人类神经元对HSV-1感染易感，揭示了一种啮齿类动物模型未能捕捉到的人类特有现象23。最近，Bellizzi et al. 证明，利用CRISPR-Cas9靶向HSV-1基因组序列，可在三维类器官培养体系中抑制HSV-1的初次感染及病毒再激活，从而确立了基因编辑作为抗疱疹病毒中枢神经系统感染的一种可行抗病毒策略24。鉴于阿昔洛韦耐药性正成为临床上日益突出的问题，且目前尚无治愈HSV脑炎的疗法25，在脑类器官中缺乏针对HSV-1的大规模抗病毒化合物筛选，代表了一个重要的知识空白。

除了小分子外，靶向RNA并调控基因表达的反义寡核苷酸（ASOs）也正在成为治疗多种疾病的新兴治疗工具，而脑类器官可用于评估新型ASO疗法26。鉴于类器官在ASO研究中的实用性，可在病毒感染的脑类器官中研究生物分布、毒性及治疗效果等重要特性。

脑类器官最重要的应用之一是评估现有抗病毒药物的神经毒性。这一点尤为重要，因为常用的HIV治疗药物已被证明对脑细胞具有毒性 体外 和 体内27. Akay 等 在含有小胶质细胞、星形胶质细胞和神经元的原代皮层培养物中，证实了抗病毒药物的神经毒性。暴露于利托那韦和沙奎那韦后，MAP2阳性神经元呈现剂量依赖性减少。联合使用抗逆转录病毒药物（cART）可导致急性神经毒性，而经齐多夫定（AZT）处理的培养物表现出活性氧（ROS）生成增加。28尽管这些发现是利用二维培养获得的，脑类器官可通过为个体或联合抗逆转录病毒疗法的高通量神经毒性筛选提供更具生理相关性的平台，从而拓展该研究。为探究这些三维模型中抗病毒药物诱导神经毒性的潜在机制，可采用形态学分析、功能检测和转录组学分析等技术。29.

除了用于神经毒性筛选外，脑类器官还被开发用于研究人类免疫缺陷病毒（HIV）相关神经认知障碍（HAND），尽管抗逆转录病毒治疗（ART）已十分有效，但仍有30%–50%的HIV感染者受到该病症影响。小胶质细胞是HIV-1在中枢神经系统（CNS）中的主要储存库，而类器官模型在阐明小胶质细胞感染如何导致神经元损伤方面发挥了关键作用。Kong et al. 采用含小胶质细胞的iPSC 来源的脑类器官，观察到HIV-1感染后，趋化因子基因CCL2和CXCL10的表达显著升高，同时多种I型干扰素刺激基因（MX1、ISG15、ISG20、IFI27、IFITM3及其他基因）被激活30。这种炎症相关基因表达谱可传播至旁观者细胞，包括未感染的神经元。这些神经元表现出神经递质转运蛋白表达显著下降，同时与细胞衰老和细胞死亡相关的基因表达上升。Dos Reis et al. 率先将HIV感染的小胶质细胞引入人脑类器官，开创了利用脑类器官进行HIV研究的先河31。该模型重现了在人脑中通常观察到的低水平病毒复制现象。引入HIV感染的小胶质细胞可触发神经炎症反应，伴随星形胶质细胞活化、神经退行性病变以及神经元突触结构的退化和丢失。随后，Donadoni et al. 利用含小胶质细胞和星形胶质细胞的人诱导多能干细胞（hiPSC）来源的脑类器官，构建NeuroHIV模型，并在三维类器官系统中评估联合抗逆转录病毒治疗（cART）的效果32。总体而言，这些基于类器官的研究为理解HAND提供了重要的机制性见解，并建立了一个有价值的模型系统，可用于探索神经保护疗法。

综上所述，脑类器官为在药物开发早期同时筛选抗病毒化合物并评估其神经毒性效应提供了一个统一的模型系统。鉴定有效的抗病毒化合物仅是实现临床转化的第一步（表1）。同样重要的是开发能够将治疗剂递送至中枢神经系统（CNS）内感染细胞的药物递送策略。

病毒类器官模型细胞类型主要发现局限性 参考文献
ZIKV由人多能干细胞衍生的类胎儿类器官神经前体细胞、神经元在1120种化合物筛选中，HH和AQ可减少病毒RNA无免疫细胞；处于胎儿阶段17
皮质类器官神经前体细胞25HC使感染率降低约74%；R428使ZIKV mRNA减少约41%无血管系统18
脑类器官神经元、星形胶质细胞Emricasan具有神经保护作用；尼可酰胺和PHA-690509可抑制病毒复制无小胶质细胞19
脑类器官神经前体细胞依诺沙星通过RNA干扰机制预防ZIKV诱导的小头畸形无免疫细胞20
脑类器官神经元TH3289和TH6744（苯并咪唑酮核心结构）干扰ZIKV生命周期的晚期阶段无免疫细胞21
SARS-CoV-2脑类器官神经元索非布韦可恢复突触生成和神经元存活无血脑屏障22
HSV-1由诱导性多能干细胞衍生的神经元神经元TLR3缺陷导致人类神经元易感；为人类特有现象仅限二维神经元模型23*
三维类器官培养神经元CRISPR-Cas9可抑制HSV-1的初次感染及再激活成熟度有限24
HIV-1由诱导性多能干细胞衍生的脑类器官神经元、小胶质细胞CCL2、CXCL10表达上调；I型干扰素基因激活；神经元衰老无血管系统30
含小胶质细胞的人脑类器官 神经元、小胶质细胞出现神经炎症、星形胶质细胞增生和突触退化无血管系统31
人诱导性多能干细胞脑类器官神经元、小胶质细胞、星形胶质细胞在三维NeuroHIV模型中评估cART的作用模型处于早期阶段32

表1：用于研究嗜神经病毒感染的脑类器官模型。 本表格总结了以类脑器官为基础的代表性研究中所涉及的病毒、类器官模型、包含的细胞类型、主要发现、局限性以及参考文献，涵盖寨卡病毒（ZIKV）、严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）、单纯疱疹病毒1型（HSV-1）和人类免疫缺陷病毒1型（HIV-1）感染的研究。

药物递送平台

寻找治疗中枢神经系统感染最有效的抗病毒化合物至关重要，但若无法高效递送至大脑，这些化合物可能无法发挥治疗作用。脑类器官可用于评估药物递送系统穿透神经组织并递送抗病毒药物的能力。

基于脂质的纳米颗粒（LNPs）被广泛用作药物载体。这些药物载体可提高药物的生物利用度，并实现向疾病部位的靶向递送，尤其是在跨越血脑屏障（BBB）方面具有优势33。基于LNPs的mRNA制剂已成功应用于新冠疫苗接种34,35。脑类器官可用于评估新型基于LNPs制剂的有效性和安全性。此外，通过在表面修饰靶向配体，可将LNPs定向递送至中枢神经系统（CNS）。例如，将转铁蛋白或乳铁蛋白偶联到LNPs上，可促进受体介导的转胞吞作用，增强其跨越血脑屏障的转运能力36,37。综上所述，可在脑类器官中研究药物递送效率、神经毒性以及纳米制剂在穿透血脑屏障后稳定性变化等关键问题38。

除了脂质纳米颗粒（LNPs）外，双重靶向的多肽纳米载体也被研究作为人脑类器官中的药物递送系统。靶向的聚-L-谷氨酸纳米颗粒（NPs）表现出优异的细胞相容性，并能够进入类中脑样类器官。研究表明，丙氨酸和谷胱甘肽可有效引导纳米颗粒靶向脑内皮细胞并穿透脑类器官，从而实现向脑组织的药物递送39。研究人员在人源三维脑微血管类器官中研究了聚合物纳米颗粒的通透性，重点关注其尺寸和表面化学性质的影响。所构建的类器官包含由人诱导多能干细胞（iPSC）分化的内皮细胞、星形胶质细胞以及原代脑周细胞。共聚焦图像显示，将纳米颗粒与脑相关配体全转铁蛋白（Tf）偶联后，其通透性显著提高40。

接下来，研究了金纳米颗粒（AuNPs）在血脑屏障（BBB）脑类球体中的吸收、穿透和分布情况。这些类球体由六种脑细胞组成：神经元、星形胶质细胞、周细胞、内皮细胞、小胶质细胞和少突胶质细胞。作者报告称，短暂缺氧会导致血脑屏障开放，从而增加AuNPs向类球体内部的转运。这些纳米颗粒能够轻松进入细胞和细胞核41。在另一项使用相同类球体模型系统的研究中，通过共聚焦激光扫描显微镜同时评估了纳米载体的穿透动力学及其治疗载荷的释放情况42。在另一项研究中，Park et al. 证明与脑源性神经营养因子（BDNF）偶联的AuNPs能够成功进入脑类器官，且未引起明显毒性43。

除了靶向基团外，纳米颗粒的形状和大小在纳米制剂向脑部递送治疗载荷的能力方面也可能发挥重要作用44。与针对VCAM-1的抗体偶联的200 nm聚苯乙烯球形颗粒，其蓄积量比未偶联抗体的对照纳米颗粒高出1.2至1.5倍。有趣的是，棒状颗粒相较于相应对照组的蓄积量更高，达到2.1至2.5倍，表明在细胞结合方面，棒状颗粒较球形颗粒更具优势。脑类器官可为研究颗粒几何形状如何影响脑组织穿透提供详细信息。此外，低氧及其他生物活性化合物对血脑屏障通透性的影响，也可在神经血管脑类器官中进一步研究45,46。

干细胞来源的细胞外囊泡（EVs）代表了一类可替代LNPs等合成药物载体的生物学选择。Branscome 等 探讨了细胞外囊泡在人源神经球中对抗HIV-1感染的修复潜力47本研究证明，间充质干细胞（MSCs）和诱导多能干细胞（iPSCs）产生的细胞外囊泡（EVs）能够自然穿透神经球，恢复细胞活力，并降低HIV-1感染神经球中炎症细胞因子的表达水平，凸显了干细胞来源EVs的神经保护和抗炎特性47。在金的另一项研究中 等，对小型细胞外囊泡（sEVs）进行工程化改造，用于抗病毒递送以治疗 SARS-CoV-2 感染48纳米载体负载了可溶性ACE2（sACE2） 通过 通过编码 eGFP-CD9ΔTM4-sACE2(WT) 的质粒对供体细胞进行遗传修饰，使其在sEV表面表达sACE2。结果表明，携带sACE2的sEV可有效防护野生型及突变型S蛋白假病毒48可在SARS-CoV-2感染的脑类器官中验证该保护机制。此外，另一项研究表明，HSV-1感染细胞释放的细胞外囊泡（EVs）携带STING等先天免疫组分，可在受体细胞中激活先天免疫反应，从而显著抑制HSV-1的复制。通过密度梯度离心实现了EVs与感染性病毒颗粒的关键分离。49.

脑类器官还可用于测试新型药物纳米制剂潜在的神经毒性。例如，当将聚乙二醇化的金纳米颗粒（AuNPs）注入脑类器官时，观察到由活性氧（ROS）产生介导的显著炎症反应。相比之下，聚乳酸聚合物纳米颗粒由于其缓慢摄取和可降解特性，表现出高效的药物递送能力和低细胞毒性，能够穿透脑类器官而不引发免疫反应50。AuNPs、石墨烯和碳点的神经毒性也在三维神经血管类器官中进行了评估。这些类器官包含神经细胞、小胶质细胞和内皮细胞表面。这些研究揭示，小胶质细胞在这些制剂的通透性和毒性中可能发挥关键作用51。此外，高浓度的氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）也被证明可导致显著的神经元死亡。其毒性机制与锌离子在细胞内的积累有关，后者降低了LC3B蛋白水平，提示自噬功能受损52。总体而言，这些研究表明，三维脑类器官能够模拟纳米制剂与神经组织之间的相互作用，涵盖摄取、穿透、免疫激活及毒性等全过程。中枢神经系统靶向药物递送策略的成功，不仅取决于能否到达靶细胞，还取决于能否调控感染过程中激活的炎症通路，其中许多通路由DAMPs和PAMPs信号启动。

病毒性感染中的DAMPs与PAMPs

脑类器官可用于研究中枢神经系统中应激、损伤或死亡细胞释放的损伤相关分子模式（DAMPs）和病原体相关分子模式（PAMPs）。DAMPs 包括热休克蛋白、ATP 和尿酸，而 PAMPs 包括细菌、病毒、真菌和寄生虫的生物大分子。因此，这些分子模式可向先天免疫系统发出警报，并在识别外来抗原或任何与感染相关的常见信号时激活多种信号转导通路。目前对它们在应对病毒感染时发挥保护作用的机制尚未完全阐明，而脑类器官为深入研究这些过程提供了有效平台53。释放的 DAMPs 和 PAMPs 可结合一大类受体，包括 TLRs（Toll 样受体）、NLRs（NOD 样受体）、AIM2 样受体、RLRs（RIG-I 样受体）以及 CLRs（C 型凝集素受体），这些受体表达于细胞膜表面或细胞内54。这些受体在应对嗜神经病毒感染（包括 EV-71、HIV-1、HSV-1、黄病毒属、西尼罗河病毒（WNV）等）时，对细胞因子和干扰素的产生至关重要54。

Slowikowski 等 研究了受损神经细胞释放的损伤相关分子模式（DAMPs）、趋化因子和黏附分子如何在黄病毒性脑炎期间协调白细胞进入中枢神经系统55。特别是，研究发现西尼罗病毒（WNV）可上调高度炎症性的坏死性凋亡（necroptosis）和细胞焦亡（pyroptosis）相关细胞死亡标志物的表达，从而促进感染脑组织中DAMPs的释放。当这些分子（例如高迁移率族蛋白1（HMGB1））被释放后，会激活多种信号通路，导致活化的单核细胞、巨噬细胞和树突状细胞通过CXCR4依赖的方式向感染组织迁移56,57。此外，研究还表明，感染可诱导DAMPs的释放，继而上调Toll样受体（TLRs）的表达，加剧中枢神经系统的炎症反应和组织损伤58。总体而言，这些研究表明，病毒感染似乎会触发DAMP与病原体相关分子模式（PAMP）信号通路的重叠，从而导致神经炎症和组织损伤。综上所述，包含小胶质细胞和星形胶质细胞的脑类器官可作为研究人类神经组织中免疫级联反应的模型，尤其适用于探究DAMP释放与TLR介导的神经炎症之间的相互作用。

补体系统是先天免疫的重要组成部分，能够对感染迅速作出反应。然而，许多病毒已进化出克服这一防御系统的机制59。某些病毒通过产生能够结合补体成分并抑制或隔离这些成分的蛋白质来逃逸补体系统。这一现象已在多种病毒中得到证实，包括人类T细胞白血病病毒-1（HTLV-1）、人巨细胞病毒（HCMV）、HIV-1、猴病毒5（SV5）和腮腺炎病毒（MuV），这些病毒可将宿主的补体蛋白整合到其病毒颗粒中（即CD55/DAF、CD59、CD64和MCP）。这些蛋白可抑制先天免疫反应，促进病毒复制和持续存在60。因此，脑类器官可用于鉴定病毒逃逸补体系统的具体机制。越来越多的证据表明，损伤相关分子模式（DAMPs）和病原体相关分子模式（PAMPs）不仅塑造了初始的抗病毒反应，还在介导慢性病毒感染后持续性炎症中发挥关键作用，而这种炎症是多种慢性病毒感染后病症的基础。

病毒性感染导致持续性炎症中DAMPs/PAMPs的作用

除了急性炎症阶段外，病毒感染还可导致对DAMPs/PAMPs的慢性暴露，从而在长期引发炎症后果，尤其是在大脑中。脑类器官可成为研究与感染后急性期相关综合征潜在机制的有力工具。

目前大多数已知的人类非持续性病毒在感染的急性期会激活免疫反应，随后病原体被清除。然而，在某些情况下，患者会出现持续性症状，这些症状可能与急性期观察到的不同，并可持续数月甚至数年。具体而言，新冠长期症状（long COVID-19）患者报告有慢性疲劳、"脑雾"、发热、疼痛以及其他神经系统并发症61。此外，慢性炎症可能增加死亡率和发病率，以及动脉粥样硬化性血栓形成、癌症和认知功能障碍的风险62,63。

此外，病毒蛋白和RNA的持续存在可导致促炎性细胞因子水平升高，例如TNF-α、IL-1α、IL-1β、IFN-γ和IL-6，从而引起组织损伤、过早衰老以及免疫系统耗竭64。病毒的缓慢复制或其组分的残留可能触发DAMPs/PAMPs的释放，这些分子与其特异性受体相互作用，导致持续性的低度炎症65。在某些情况下，HSV-1对大脑的感染可导致神经元损伤，继而引发脑炎，并可能最终促进阿尔茨海默病等神经退行性疾病的发展66。自噬机制的紊乱可能是HSV-2感染患者慢性炎症的重要诱因，其中保护性机制缺陷导致病毒持续复制、病毒组分在脑内长期存在以及神经退行性变67。这些病毒组分通过PAMPs激活先天免疫感受器，并可操控信号通路以逃避先天免疫活化的抗病毒效应。重要的是，人巨细胞病毒（HCMV）和EB病毒（Epstein-Barr virus, EBV）已被证实可建立慢性病毒感染，促进免疫功能障碍68,69。持续感染诱导的细胞衰老也可能参与多种病毒感染相关的长期炎症过程。整合了免疫组分的3D 脑类器官为研究DAMPs/PAMPs长期暴露所涉及的复杂机制及其在中枢神经系统病毒感染远期并发症中的作用提供了相关研究平台。

局限性与展望：

尽管它们相较于传统方法具有优势 体外 模型相比，脑类器官存在显著局限性，必须加以解决才能支持其更广泛的应用。具体而言，大多数类器官缺乏常驻免疫细胞，而这些细胞在病毒性疾病建模以及理解病毒感染过程中先天性和适应性免疫应答方面具有重要作用70特别是，标准类器官方案未包含小胶质细胞——中枢神经系统的主要免疫细胞及HIV-1的储存库——这限制了对神经炎症和病毒持续存在的建模。71另一个不足之处在于组织复杂性的不完整，包括缺乏在营养物质和氧气输送以及病毒扩散中发挥重要作用的血管系统。72因此，类器官的生长受到限制，因为中心区域的细胞无法获得充足的营养。此外，代谢废物的排出也受到影响，常导致较大类器官出现缺氧或坏死的核心区域。同时，类器官尚不能完全模拟神经元、内皮细胞和间质细胞之间的相互作用，而这些相互作用可能影响病毒感染与致病过程。此外，在当前发展阶段，类器官还无法重现系统性感染、器官间传播以及全身性的免疫应答73另一个局限性在于，许多上皮类器官由于其顶膜朝向内部，难以进行病毒接种74因此，病毒接种需要显微注射，导致实验变异性和通量较低。此外，使用不同直径的类器官进行接种使得感染复数难以控制。同时，许多类器官更类似于胎儿组织而非成体器官，这可能影响病毒的嗜性、复制动力学以及宿主反应。73这一点在HSV-1感染中尤为明显，因为神经元的成熟程度会影响潜伏感染的建立及再激活过程，而胎儿阶段的类器官可能无法完全重现这些过程。23此外，类器官在组成和功能上可能存在显著差异，导致实验结果不一、可重复性低，并需要进行大量实验重复。例如，类器官在大小、细胞组成、结构构型以及成熟状态方面均可能存在差异。这使得在不同实验室之间实现标准化变得极为困难，甚至不可能。7,75最后，类器官生成与维持的高成本及其有限的可扩展性仍是重大障碍。因此，一个主要挑战是开发与类器官技术兼容的高通量平台。74.

尽管存在这些缺点和局限性，类器官在模拟病毒感染、毒理学研究和药物发现方面仍具有重要意义。克服这些局限性可显著减少对动物模型的依赖，并促进基础机制研究76。现有类器官模型的一个显著不足是其生理复杂性有限，且细胞组成缺乏多样性。未来的发展需要聚焦于将免疫、神经、血管和间质成分整合到类器官模型中。这可以通过共培养模型实现，即将类器官与上述细胞类型进行联合培养77,78。特别是，引入免疫细胞将有助于模拟病毒感染期间的系统性免疫反应和炎症过程。此外，血管化类器官可进一步开发以提高其生理复杂性，更准确地再现in vivo条件79,80。因此，包含内皮组织的脑类器官将有助于研究病毒感染期间血脑屏障的功能及药物递送过程13,81。此外，三维脑类器官能够复制脑内病毒感染的多个关键特征。事实上，目前已有多种结构复杂的类器官模型正在被研究，这些模型可高度模拟不同脑区的结构与功能82。最后，加入神经元和间质成分将进一步提高类器官对天然器官系统的模拟保真度。可重复性仍是类器官技术更广泛应用的另一重大障碍。因此，生成稳定且高度可重复的类器官对于推动类器官应用的转化至关重要。细胞分离与接种方法、基质选择以及可溶性因子的使用应在整个领域内实现标准化83。值得注意的是，培养基成分、细胞密度和培养时间可能影响这些模型的结果。因此，已提出采用合成水凝胶作为有前景的替代方案，这类水凝胶由化学和机械特性精确可控的完全定义聚合物网络组成，可有效降低基质的批次间变异性84。此类类器官表现出极低的批间差异，有利于开展受控研究。此外，建立代表不同患者群体的类器官生物样本库，将成为药物发现和生物标志物鉴定的重要资源。新兴的人工智能（AI）技术正成为类器官研究中的重要工具85。进一步应用这些技术可能加速数据分析并减少数据解释中的偏差。然而，AI 在该领域中的应用仍处于早期阶段。将 AI 方法整合到类器官开发中，例如基于 AI 的图像分析86或培养条件的预测性优化87，将显著推动类器官研究的发展。

结论

本文综述了脑类器官——一种高度模拟人类神经血管单元的三维神经培养系统——如何被用于研究嗜神经病毒的侵袭、复制及其对中枢神经系统造成的损伤。尽管每种病毒具有独特的遗传和结构特征，但病毒在脑内引发的许多病理过程具有共性，而类器官模型已被证明非常适合解析这些共通及不同的作用机制。过度的炎症反应可能加剧神经细胞损伤；然而，当先天免疫系统得到适当调控时，其可限制病毒扩散并保护脑组织。

三维类器官能够在更接近生理条件的环境中研究上述两种效应，而动物模型和二维细胞培养体系此前未能成功捕捉到这些动态过程。这些信息对于应对脑部病毒致病机制以及筛选能够靶向正确通路且不加剧炎症反应的治疗方法至关重要。脑类器官已推动了对嗜神经病毒感染机制的理解，但仍存在一些有待解决的技术难题。例如，类器官成熟速度较慢、血管结构有限以及缺乏血脑屏障（BBB）组分仍是普遍存在的挑战。此外，类器官分化技术的差异性和批次间的不一致性也制约了相关研究的进展。同时，在可控的三维环境中对病毒感染进入、复制、细胞类型嗜性及宿主反应的定量分析仍有待改进。本文综述的研究表明，脑类器官是目前可用于研究嗜神经病毒与人类大脑相互作用、筛选抗病毒候选药物以及评估药物向中枢神经系统递送效果的最具生理相关性的系统之一。随着技术的进步，包括血管化程度的提升、免疫细胞整合以及标准化操作流程的建立，基于类器官的研究将更有能力识别出具有真正临床转化潜力的化合物和治疗策略。

缩写：ASOs，反义寡核苷酸；BBB，血脑屏障；CLRs，C型凝集素受体；CNS，中枢神经系统；CRISPR，成簇规律间隔短回文重复序列；CXCL10，C-X-C基序趋化因子配体10；DAMPs，损伤相关分子模式；EVs，细胞外囊泡；hPSCs，人多能干细胞；HSV-1/2，单纯疱疹病毒1/2型；HIV-1，人类免疫缺陷病毒1型；IFNs，干扰素；IL-6，白细胞介素-6；ISGs，干扰素刺激基因；LNPs，脂质纳米颗粒；NLRs，NOD样受体；PAMPs，病原体相关分子模式；PRRs，模式识别受体；RNAi，RNA干扰；RT-PCR，逆转录聚合酶链式反应；sACE2-EVs，携带可溶性ACE2的细胞外囊泡；SARS-CoV-2，严重急性呼吸综合征冠状病毒2；scRNA-seq，单细胞RNA测序；TLRs，Toll样受体；TNF-α，肿瘤坏死因子-α；ZIKV，寨卡病毒；3D，三维。 ZIKV，寨卡病毒；hPSC，人多能干细胞；HH，石蒜碱氢溴酸盐；AQ，盐酸氨酚奎双水合物；25HC，25-羟基胆固醇；BBB，血脑屏障；cART，联合抗逆转录病毒治疗；CRISPR，成簇规律间隔短回文重复序列；hiPSC，人诱导多能干细胞；HIV-1，人类免疫缺陷病毒1型；hPSC，人多能干细胞；HSV-1，单纯疱疹病毒1型；RNAi，RNA干扰；SARS-CoV-2，严重急性呼吸综合征冠状病毒2；TLR3，Toll样受体3。* 包含iPSC来源的二维神经元研究作为对照。

披露

ChatGPT（OpenAI；GPT-5.5）仅在有限范围内用于协助文献筛选和语言润色。所有文献选择、事实核查、参考文献验证以及科学解读均由作者独立完成。

致谢

作者衷心感谢Kashanchi实验室的所有成员，特别感谢Gwen Cox提供的宝贵支持。本研究还得到了美国国立卫生研究院（NIH）基金项目R01MH134389、AI078859、AI074410、R21DA057887以及美国国防部基金项目HT9425-24-1-0876对F.K.的资助。

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