人源神经元和脑类器官已经彻底改变了我们在培养皿中模拟大脑发育的能力。在这篇综述中，作者讨论了人类大脑模型在推进复杂精神疾病药物研发的潜力。
首先，我们讨论了人脑模型在筛选能够改变CNS活性的新药的优势。接下来，我们提出了一个实验流程，用于使用人源性神经元和类脑器官快速评估药物对大脑发育中关键事件的影响，包括轴突延伸，突触形成和神经活动。实验流程从自动化高内涵成像开始，用于分析轴突，突触和神经元活力。然后形态学检测，多孔微电极阵列技术检测药物治疗后的神经活动。
这些技术可与高通量测序和质谱联用以评估相关的转录和蛋白质组学变化。这些技术的组合为精神药物研发和未来患者特异性药物反应的临床评估提供了基础。
图源：futureoflife.org
随着慢性神经疾病的发病率不断增加，需要新的方法来更有效地筛选治疗的药物。目前对于神经系统疾病所造成的经济负担的估计高得惊人。年共计近亿美元，其中阿尔茨海默病（AD）至少占亿美元。这一成本预计只会增加，因为老年人口到年将会增加将近两倍，从万增加到万。为了减少疾病和经济负担，需要更好的药物，而一种新药的研发成本高达8亿美元。
影响新的精神药物和治疗方法开发的主要障碍包括缺乏合适的疾病动物模型、病因不明、患者特异性，尤其是自闭症等谱系障碍，以及未预料到的药物*性。由于脑生理学或遗传疾病模型的差异，在动物模型中观察到的阳性临床前结果可能无法在人类中重现。所有这些因素都可能导致未可预估的失败，药物进入临床的失败率约为90％。
因此，我们提出了一种模型，它是原位脑组织（模型）的理想替代品，可以作为临床前研究和（新药物治疗方法）开发的重要工具：从人类诱导的多能干细胞（hIPSCs）发展而来的神经元和类脑器官。
图1。使用hIPSC来源的脑模型进行药物研发。该图重点展示了高内涵成像平台和MEA技术如何组合以分析神经生理学，包括神经元形态学和神经活动。虽然本综述侧重于药物开发中的高内涵成像和MEA技术，但它们可与其他高通量技术相结合，包括RNA测序和质谱。
*目前可从多家公司获得96孔MEA板，包括AxionBiosystems，MultichannelSystems和ALAScientificInstruments。＃有关多重RNA测序快速条形码的更多信息，请参阅文献
**有关使用MALDI进行质谱分析的更多信息，请参阅参考文献-
hIPSC，人类诱导的多能干细胞；MEA，微电极阵列。
该文详述了在治疗性药物开发中使用hIPSC神经元作为模型时，所推荐的操作流程。首先我们将介绍hIPSC神经元模型目前是如何用于模拟复杂的精神疾病和治疗反应。然后，我们将讨论如何将hIPSC与最新技术相结合，以便快速有效地筛选药物（图1）。
hIPSC精神疾病模型
自hIPSC的发现以来，已经模拟了多种神经疾病，包括神经退行性疾病，例如AD，以及神经发育障碍，例如自闭症谱系障碍（ASDs）。hIPSC还提供了一种独特的工具，可以探索罕见神经系统疾病，如Kleefstra综合征、Dravet综合征和SmithLemliOpitz综合征。这些hIPSC模型比人类癌细胞系和原代动物细胞培养更能模仿大脑发育和病理学；这可能会更准确地预测患者的反应。
除应用于药物发现外，hIPSC还可用于临床评估患者特异性药物反应，例如药物诱导的神经活动变化。这些hIPSC衍生模型可以与高通量RNA测序技术相结合，以明确与特定患者群体相关的转录组，最终提供个性化的治疗干预。
此外，蛋白质组学、代谢组学和脂质组学可用于患者分类和药效分析。在神经退行性疾病中，生物标志物可在疾病恶化前进行诊断，并有助于开发预防神经元缺失病变的疗法，而不仅仅是抑制疾病发作后的进一步恶化。
以下部分描述了hIPSC如何被用于模拟AD和ASD中的病理学和治疗反应，分别代表神经变性和神经发育障碍。然后，我们将使用这两个例子来说明我们提出的实验策略如何推进复杂神经精神疾病的药物发现。
阿尔茨海默氏病
AD是痴呆症的最常见原因，占所有痴呆病例的80％。在人类中，AD导致细胞外淀粉样斑块，细胞内神经原纤维过度磷酸化的tau缠结，以及神经变性之前的突触丢失。
在小鼠模型中复现这些关键病理特征有困难，这需要人淀粉样前体蛋白（APP）和人源tau蛋白基因表达，以形成与疾病相关的淀粉样蛋白斑和神经纤维缠结。因此，人源模型有可能极大推进AD的治疗药物开发。
已经开发了几种hIPSC模型来模拟散发性和家族性AD（sAD和fAD）。从年开始，hIPSC的神经元被用于模拟早老素突变患者的早发性fAD。早老素-1和-2是γ-分泌酶的主要成分，它将APP切割成淀粉样蛋白-β（Aβ）肽。fAD相关的早老素突变增加淀粉样蛋白Aβ-42肽与较短Aβ-40肽的比例。
该研究表明，来自fAD患者的hIPSC产生的神经元分泌更多的Aβ-42，并且γ-分泌酶抑制剂（GSI）降低了分泌的Aβ-42的水平。
年，另一项研究同样证明了γ-和β-分泌酶抑制剂降低对照组中hIPSC神经元产生Aβ的能力。β-分泌酶在APP加工的第一步骤起作用，先于γ分泌酶，以产生淀粉样Aβ肽。这些发现可拓展并适用于hIPC产生的神经元，源于一个sAD患者和具有APP重复的fAD患者，这些神经元在与疾病相关的指标都增加，如Aβ肽、活性GSK-3β和磷酸化tau。尽管两种分泌酶，β-和γ分泌酶抑制剂可降低分泌Aβ，但只有β分泌酶抑制剂降低GSK-3β和磷酸化tau。
值得注意的是，来自另一个sAD的患者的hIPSC所产生的神经元并没有表现出与疾病相关的表型，这凸显了hIPSC可反映病人的个体差异，并可预测患者从计划的治疗中可获的成效。
除了证实分泌酶抑制剂逆转AD表型的能力之外，还利用hIPSC产生的神经元克服细胞系对分泌酶抑制剂优化的限制，例如，GSI降低APP过表达细胞系中的Aβ肽的产生，但在人体临床试验中失败。这类失败促使研究者追求生理表型上更相符的AD模型，成纤维细胞和hIPSC来源的神经前体细胞，以及携带早老素-1基因突变的fAD患者的神经元。
该研究揭示了特定细胞类型的药效差异，在hIPSC产生的神经元中观察到的Aβ含量降低得最大。重要的是，这项研究还显示，在hIPSC来源的神经元中GSI的IC50，semagacestat（γ-secretase抑制剂），是比APP高表达细胞株高出五倍，这或许就是导致它的临床失败。
另外，源于hIPSC的神经元已被用于药物库筛选，通过化学发光测量法来测定Aβ的含量，以筛选鉴定化学分子库中使Aβ含量降低的新的化合物。
该研究发展出一套降低Aβ的鸡尾酒疗法，可显著地降低来源于早老基因突变的fAD患者的hIPSC神经元中的Aβ含量，并在较小程度上降低含有APP突变的fAD患者和sAD患者的Aβ水平。
该研究使用了快速神经元诱导流程以筛选药物，神经元分化时间在10天内，这加速了药物筛选并发现有前景的疗法新方法。他们还确保了减少Aβ水平并不增加神经细胞死的亡。
但是，作者指出，这种鸡尾酒疗法还是不能推进到临床试验阶段，因为IPSC来源的神经元本身并不能解决药品是否穿越血脑屏障（BBB）的问题。因此需要培养物更紧密以模拟大脑环境中，例如，通过可加入血管内皮细胞。可解决从药物发现到临床试验的衔接问题。
hIPSC来源的神经元也已被用于验证AD替代疗法的效果，例如川陈皮素和芹菜素。
Nobiletin是一种在柑橘皮中发现的化合物，在小鼠中具有抗痴呆作用。Nobiletin可减少hIPSC神经元细胞内和分泌的Aβ含量，这些神经元含有与fAD相关的早老素-1突变。所观察到的积极效果是由于Aβ降解酶，脑啡肽酶的表达增加。类似地，在芹*素，是在芹菜，欧芹，和朝鲜蓟中发现的一种多酚化合物，对于hIPSC来源的sAD和fAD神经元有保护作用。
Apigenin的抗炎特性可减少一氧化氮的产生，增加轴突长度，并增强细胞活力。
总之，这些研究凸显使用hIPSC来源的神经元可验证和优化人类的AD疗法。
AD研究中的脑类器官
虽然hIPSC来源的神经元应有于药物开发有广阔的前景，但大脑类器官可捕获特定的关键病理特征，那些只在可模仿复杂组织微环境的三维（3D）基质中观察到的特征。
例如，AD神经元的不溶性Aβ分泌量增加，但不能形成淀粉样蛋白斑。淀粉样斑块位于细胞外基质中，因此需要3D模型进行保留。另外，Aβ斑块被认为可引起tau神经原纤维缠结，最终导致细胞死亡。这与在AD神经元中所观察的一致，其不可产生Aβ斑块的。这些AD神经元tau磷酸化增加的，但不形成细胞内tau神经原纤维缠结。此外，细胞死亡（增加）尚未在平面培养的AD神经元中有记录。
为了验证Aβ是AD致病源的假设，需要3D脑模型来捕获Aβ斑块。第一个人类三维AD模型使用了水凝胶，其促进Aβ的积累和细胞内tau神经原纤维缠结形成，尽管没有报道细胞死亡。使用该模型，γ-和β分泌酶抑制剂二者均可减少Aβ斑块形成和tau磷酸化。然而，GSK-3β抑制剂，1-Azakenpaullone，特异性降低tau蛋白磷酸化，但不影响Aβ的产生。
这些结果可制作一个疾病模型，其中GSK-3β磷酸化tau，但不磷酸化APP以提高Aβ产生。相反，有AD淀粉样蛋白斑的类脑模型，细胞内的tau神经原纤维缠结，可增加细胞死亡。
通过捕获Aβ斑块形成，tau神经原纤维缠结和神经变性等特征，3D脑类器官模型为神经退行性疾病研究和药物发现提供了独特的机会。例如，最近的数据表明tau突变体表现出朊病*样特性，导致tau神经原纤维缠结与疾病恶化扩散。类似地，在小鼠中，突变的APP导致淀粉样蛋白斑扩散到远端的大脑区域。脑类器官具有监测不溶性斑块和缠结扩散的独特能力，并试验防止扩散的药物。
为了监测脑类器官中的蛋白质聚集，可以注射有*性的Aβ或tau突变体。或者，可以制作未受影响和含有AD来源神经元的脑类器官的嵌合体。例如，最近的一项研究利用脑球状体彼此融合的倾向，来监测脑球体之间的中间神经元迁移。通过类似的允许AD和未受影响的脑类器官的融合，可以监测病理特征的传播和由此产生的细胞死亡。
该方法还可用于脑区特异性类器官融合的研究并测试阻断大脑区域之间蛋白质聚集体扩散的药物。因此，脑类器官可弥补了hIPSC来源神经元模型中缺失的关键病理特征。通过更准确地模拟疾病状态，脑类器官有可能进一步推进药物发现。
自闭症谱系障碍
ASD是一种异质的神经发育疾病，其特征是复杂的行为表型。这种疾病的主要特征包括社交沟通中的缺陷，以及存在严重的持续的限制性、重复性行为模式。ASD是美国最常见的发育障碍之一，每59名儿童中就有1名患有此病，男女比例为4：1。
由于疾病的致残性，儿童往往需要特殊的看护。据估计，支撑患有智力残疾的自闭症儿童的终生费用超过每名儿童万美元，其中包括教育服务、父母的生产力损失以及更频繁的医疗就诊。
与AD不同，ASD没有明确定义的细胞病理学特征。目前的研究重点是发现控制ASD中突触变化的趋同机制。在先天性ASD病例的脑样本中发现突触改变，包括树突棘密度的变化，这是兴奋性突触发生的主要部位。许多研究