脊髓类器官 (Spinal Cord Organoids) 研究报告

报告生成日期: 2026 年 3 月 21 日
研究类型: 文献综述
数据来源: PubMed, Crossref, Semantic Scholar

执行摘要

脊髓类器官是一种三维 (3D) 干细胞衍生的体外模型，能够模拟人体脊髓的发育、结构和功能。自 2020 年首次建立以来，该技术已迅速发展，成为研究脊髓发育、疾病建模（如 ALS、SMA）和药物筛选的重要工具。本报告综合分析了 2017-2025 年间的关键文献，涵盖历史发展、细胞来源、培养方法、发育时间、结构特征、主要应用和局限性等方面。

1. 历史发展

1.1 首次建立

根据文献检索结果，脊髓类器官的首次建立可追溯至 2020 年：

• Gouti 团队 (2020 年 2 月): Faustino Martins 等人发表在 Cell Stem Cell 的研究"Self-Organizing 3D Human Trunk Neuromuscular Organoids"被认为是早期重要的脊髓类器官研究之一。该研究展示了从人多能干细胞生成包含脊髓和肌肉组织的三维神经肌肉类器官 PMID: 31956040。

• Paşca 团队 (2020 年 12 月): Andersen 等人发表在 Cell 的"Generation of Functional Human 3D Cortico-Motor Assembloids"展示了皮层 - 运动神经元组装体的生成，为脊髓类器官与脑类器官的连接奠定了基础 PMID: 33333020。

1.2 关键里程碑 (2017-2025)

1.3 代表性研究团队

根据文献分析，全球主要脊髓类器官研究实验室包括：

1. Gouti 实验室 (德国柏林 Max Delbrück 中心): 专注于躯干神经肌肉类器官和运动神经元发育
2. Paşca 实验室 (美国斯坦福大学): 皮层 - 脊髓组装体和神经发育疾病建模
3. Rodriguez-Muela 实验室 (西班牙): ALS 和 SMA 疾病建模，运动神经元疾病
4. Lee JH/Sun W 团队 (韩国): 脊髓类器官形态发生和再生
5. Ng SY 团队 (新加坡): 海藻酸盐水凝胶和脊髓疾病建模
6. Zhu R/Chen B 团队 (中国): 工程化脊髓类器官和脊髓损伤修复
7. Grass T/Buchner F 团队 (德国): SMA 疾病机制和类器官模型

2. 细胞来源

2.1 细胞类型

脊髓类器官主要使用以下两种多能干细胞类型：

人胚胎干细胞 (hESCs)

• 常用细胞系: H1, H9 (WiCell), WA01, WA09
• 特点: 分化潜能高，批次间一致性较好
• 来源: 剩余胚胎，需伦理审批

人诱导多能干细胞 (hiPSCs)

• 常用细胞系:
  • 健康对照：BJ, IMR90 重编程细胞系
  • 疾病特异性：ALS 患者来源 (SOD1, C9orf72 突变), SMA 患者来源 (SMN1 缺失)
• 特点: 可获取患者特异性细胞，适合疾病建模
• 来源: 体细胞重编程 (成纤维细胞、血细胞、尿细胞等)

文献依据:

• PMID 38127186 (2024): "Neural Differentiation and spinal cord organoid generation from induced pluripotent stem cells (iPSCs) for ALS modelling"
• PMID 39067446 (2024): "Isogenic patient-derived organoids reveal early neurodevelopmental defects in spinal muscular atrophy"
• PMID 40254702 (2025): "Spinal Cord Organoids from Human Amniotic Fluid iPSC"

2.2 诱导方法

从多能干细胞诱导成脊髓祖细胞/运动神经元的主要方法：

神经诱导阶段 (第 0-10 天)

1. 双层抑制法: 同时抑制 BMP 和 TGFβ/Activin/Nodal 信号通路

   • BMP 抑制剂：Noggin, Dorsomorphin (DMH1)
   • TGFβ抑制剂：SB431542, A83-01
   • 时间：第 0-10 天

2. 神经外胚层形成:

   • 培养基：N2/B27 补充的 DMEM/F12
   • 添加因子：Noggin (100 ng/mL), SB431542 (10 μM)

脊髓模式化阶段 (第 10-25 天)

1. 尾侧化 (Caudalization):

   • 关键因子: 视黄酸 (Retinoic Acid, RA)
   • 浓度: 0.1-1 μM (常用 0.5 μM)
   • 作用时间: 第 10-25 天
   • 功能: 诱导后神经外胚层向脊髓命运转化

2. 腹侧化 (Ventralization):

   • 关键因子: Sonic Hedgehog (SHH) 激动剂
   • 常用试剂: SHH C24II (100-500 ng/mL) 或 Purmorphamine (1-2 μM)
   • 作用时间: 第 10-25 天
   • 功能: 诱导腹侧脊髓命运，产生运动神经元祖细胞

3. WNT 信号调节:

   • 关键因子: CHIR99021 (GSK3β抑制剂)
   • 浓度: 1-3 μM
   • 作用时间: 第 0-5 天 (早期)
   • 功能: 促进神经中胚层形成

运动神经元分化阶段 (第 25-60 天)

• 神经营养因子:

  • BDNF (脑源性神经营养因子): 10-20 ng/mL
  • GDNF (胶质细胞源性神经营养因子): 10-20 ng/mL
  • CNTF (睫状神经营养因子): 10 ng/mL
  • IGF-1 (胰岛素样生长因子 -1): 10 ng/mL
  • Ascorbic Acid (维生素 C): 200 μM

• 小分子:

  • DAPT (γ-分泌酶抑制剂): 10 μM (促进神经元成熟)
  • cAMP: 1 μM

文献依据:

• PMID 36684437 (2022): "Progress and challenges in directing the differentiation of human iPSCs into spinal motor neurons"
• PMID 37374039 (2023): "Spinal Cord Organoids to Study Motor Neuron Development and Disease" (综述)

2.3 关键因子总结

2.4 常用细胞系来源

3. 培养方法（核心内容）

3.1 诱导培养基配方

基础培养基

• 神经诱导培养基 (NIM):

  • DMEM/F12 (1:1)
  • N2 补充剂 (1×)
  • B27 补充剂 (1×, 不含维生素 A)
  • GlutaMAX (2 mM)
  • NEAA (非必需氨基酸，0.1 mM)
  • β-巯基乙醇 (0.1 mM)

• 运动神经元培养基 (MN Medium):

  • Neurobasal Medium
  • B27 补充剂 (1×)
  • N2 补充剂 (1×)
  • GlutaMAX (2 mM)
  • β-巯基乙醇 (0.1 mM)

3.2 完整分化方案时间线

以下为基于文献综合的典型脊髓类器官分化方案：

阶段 1: 多能干细胞准备 (第 -3 至 0 天)

• 细胞状态: hPSCs 培养至 70-80% 汇合度
• 传代: 使用 Accutase 或 EDTA 解离为单细胞
• 铺板密度: 1-2 × 10^5 cells/cm²
• 培养基: mTeSR1 或 E8 培养基 + 10 μM Y-27632 (ROCK 抑制剂)

阶段 2: 神经诱导 (第 0-10 天)

关键标志物: PAX6+, SOX1+, SOX2+ (神经外胚层)

阶段 3: 脊髓模式化 (第 10-25 天)

关键标志物: OLIG2+, NKX6.1+, NKX2.2+, PAX6+ (脊髓祖细胞)

阶段 4: 运动神经元分化 (第 25-60 天)

关键标志物: HB9+, ISL1+, CHAT+, TUJ1+, MAP2+ (成熟运动神经元)

阶段 5: 成熟与维持 (第 60 天以后)

• 培养基: MN Medium + BDNF (10 ng/mL) + GDNF (10 ng/mL)
• 换液频率: 每 2-3 天
• 传代: 不需要传代，类器官可长期维持
• 标志物: OLIG2+ (少突胶质细胞), GFAP+ (星形胶质细胞), MBP+ (髓鞘)

3.3 基质胶 (Matrigel) 使用

Matrigel 浓度和包被方法

• 浓度: 1:30 至 1:100 稀释 (常用 1:50)
• 包被方法:
  1. 将 Matrigel 在 4°C 解冻过夜
  2. 用冷的 DMEM/F12 稀释至工作浓度
  3. 每孔 (24 孔板) 加入 250-500 μL
  4. 37°C 孵育至少 1 小时或 4°C 过夜
  5. 使用前吸除多余 Matrigel

3D 嵌入培养

• 方法: 将类器官嵌入 Matrigel 液滴中
• Matrigel 浓度: 60-80% (高浓度用于 3D 嵌入)
• 液滴大小: 20-50 μL 每类器官
• 覆盖培养基: 分化培养基覆盖液滴

文献依据:

• PMID 36502337 (2023): "Defined Alginate Hydrogels Support Spinal Cord Organoid Derivation"
• PMID 38565140 (2024): "Harnessing developmental dynamics of spinal cord extracellular matrix"

3.4 3D vs 2D 分化比较

文献依据: PMID 35628601 (2022): "Towards 3D Bioprinted Spinal Cord Organoids"

4. 发育时间

4.1 总周期

从多能干细胞到成熟脊髓类器官的总周期约为 60-100 天，具体时间取决于目标成熟度和实验需求。

4.2 关键发育节点

4.3 成熟标志物表达时间

文献依据:

• PMID 37374039 (2023): "Spinal Cord Organoids to Study Motor Neuron Development and Disease"
• PMID 35347276 (2022): "Production of human spinal-cord organoids recapitulating neural-tube morphogenesis"

5. 结构特征

5.1 细胞类型组成

根据已发表的单细胞 RNA 测序和免疫染色研究，成熟脊髓类器官 (60-100 天) 的细胞类型比例大致如下：

注意: 比例因分化方案、细胞系和培养条件而异。

文献依据: PMID 38127186 (2024); PMID 39067446 (2024)

5.2 组织结构

神经管样结构

• 特征: 类器官中心形成管腔，类似胚胎神经管
• 直径: 管腔直径约 50-200 μm
• 极性: 顶端 - 基底极性明显，顶端面向管腔

灰质/白质分化

• 灰质样区域: 富含神经元胞体，位于类器官外围
• 白质样区域: 富含轴突束，表达 MBP (髓鞘碱性蛋白)
• 分层: 部分类器官显示类似体内的分层结构

轴突束形成

• 特征: 长距离轴突投射，可达数百微米
• 方向性: 沿类器官长轴定向生长
• 髓鞘化: 90 天后可见 MBP+ 髓鞘包裹轴突

文献依据:

• PMID 35347276 (2022): 描述了神经管形态发生
• PMID 37709912 (2024): "Self-organizing models of human trunk organogenesis recapitulate spinal cord and spine co-morphogenesis"

5.3 尺寸范围

5.4 电生理特性

动作电位

• 出现时间: 第 40-50 天可记录到动作电位
• 特征: 钠离子通道介导的快速去极化
• 成熟度: 第 80-100 天达到成熟电生理特性

突触传递

• 自发性突触后电流 (sPSC): 第 50-60 天可检测
• 诱发性突触后电流 (ePSC): 第 70-80 天
• 突触类型: 兴奋性 (谷氨酸能) 和抑制性 (GABA 能) 均有

神经肌肉接头 (NMJ) 形成

• 共培养系统: 脊髓类器官 + 骨骼肌类器官/细胞
• 形成时间: 共培养后 14-28 天
• 功能验证: 乙酰胆碱受体聚集，肌肉收缩反应
• 标志物: α-Bungarotoxin 结合 (AChR), Synapsin+, SV2+

文献依据:

• PMID 31956040 (2020): "Self-Organizing 3D Human Trunk Neuromuscular Organoids"
• PMID 32032521 (2020): "Organoids Develop Motor Skills: 3D Human Neuromuscular Junctions" (评论)
• PMID 38431841 (2024): "Neuromuscular organoids model spinal neuromuscular pathologies in C9orf72 amyotrophic lateral sclerosis"

6. 主要应用

6.1 疾病建模

肌萎缩侧索硬化症 (ALS)

• 基因突变: SOD1, C9orf72, FUS, TARDBP
• 建模方法: 患者来源 iPSC 或基因编辑 (CRISPR) 引入突变
• 表型特征:
  • 运动神经元退化
  • TDP-43 病理聚集
  • 轴突运输缺陷
  • 神经炎症反应

已发表案例:

1. SOD1 突变 ALS 模型 (PMID 38127186, 2024): 使用 SOD1-G93A iPSC 生成脊髓类器官，显示运动神经元特异性退化和炎症反应
2. C9orf72 ALS 模型 (PMID 38431841, 2024): 神经肌肉类器官显示突触传递缺陷和肌肉萎缩
3. TDP-43 病理传播 (PMID 36745687, 2023): ALS 脊髓提取物可在脑类器官中传播 TDP-43 病理

脊髓性肌萎缩症 (SMA)

• 基因缺陷: SMN1 缺失/突变，SMN2 拷贝数变异
• 建模方法: SMA 患者 iPSC 或 SMN1 敲除
• 表型特征:
  • 运动神经元数量减少
  • 轴突生长缺陷
  • 神经肌肉接头形成障碍

已发表案例:

1. SMA 早期神经发育缺陷 (PMID 39067446, 2024): Grass T 等人使用同基因患者来源类器官揭示 SMA 起始阶段的神经发育缺陷
2. 反义寡核苷酸治疗 (PMID 41423447, 2025): 靶向 ASO 治疗挽救 SMA 类器官发育缺陷
3. 细胞周期抑制剂保护 (PMID 30368521, 2018): 细胞周期抑制剂保护 SMA 类器官中运动神经元

脊髓损伤 (SCI)

• 应用: 研究损伤机制和再生策略
• 模型方法: 机械损伤、化学损伤、兴奋性毒性
• 治疗测试: 干细胞移植、生物材料支架、神经营养因子

已发表案例:

• PMID 40702833 (2025): 3D 打印支架促进脊髓类器官形成用于脊髓损伤
• PMID 41136603 (2025): 工程化胸段脊髓类器官用于脊髓损伤后移植

遗传性痉挛性截瘫 (HSP)

• 基因: SPAST (SPG4), ATL1 (SPG3A) 等
• 表型: 轴突运输缺陷，长轴突退化
• 文献: 未找到可靠来源 (具体脊髓类器官模型研究较少)

6.2 药物筛选

神经保护药物测试

• Riluzole: 标准 ALS 治疗药物，在类器官中验证神经保护作用
• Edaravone: 自由基清除剂，测试对运动神经元存活的影响
• Nusinersen (Spinraza): SMA 反义寡核苷酸，在 SMA 类器官中验证 SMN 蛋白恢复

基因治疗测试

• AAV 载体: 测试 AAV9 等血清型在脊髓类器官中的转导效率
• CRISPR 基因编辑: 验证基因校正策略
• 反义寡核苷酸 (ASO): 测试剪接修饰和基因沉默

已发表案例:

• PMID 41423447 (2025): 靶向 ASO 治疗在 SMA 类器官中挽救发育缺陷
• PMID 38325382 (2024): TwinF 界面抑制剂 FP802 在 ALS 模型中保护运动神经元

6.3 发育生物学研究

脊髓发育机制

• 背侧 - 腹侧模式化: RA 和 SHH 信号梯度
• 运动神经元亚型特化: 肢体内侧 (MMC) 和外侧 (LMC) 运动神经元
• 神经管形态发生: 管腔形成和上皮化

运动神经元分化机制

• 转录调控网络: OLIG2, NKX6.1, HB9, ISL1, LHX3
• 信号通路: Notch, WNT, BMP, FGF
• 表观遗传调控: 组蛋白修饰，DNA 甲基化

文献依据: PMID 37709912 (2024); PMID 35347276 (2022)

6.4 具体研究案例总结

7. 局限性

7.1 技术限制

血管化缺乏

• 问题: 类器官缺乏功能性血管系统
• 影响: 核心区域营养和氧气供应不足，限制类器官大小和存活时间
• 解决方案尝试: 共培养内皮细胞，3D 生物打印血管通道
• 文献: PMID 38565140 (2024) 探索细胞外基质改善血管化潜力

成熟度限制

• 问题: 类器官成熟度相当于胎儿中期 (约 16-24 周 gestation)
• 影响: 无法完全模拟成人脊髓的复杂功能和病理
• 时间: 即使培养 100+ 天，仍不完全成熟
• 标志: 髓鞘化程度低，突触网络简化

批次差异

• 问题: 不同批次间类器官大小、细胞组成、成熟度差异大
• 原因:
  • 细胞系差异
  • Matrigel 批次变异
  • 操作技术差异
  • 培养条件微小变化
• 影响: 实验可重复性挑战，药物筛选假阳性/假阴性

细胞类型缺失

• 缺失类型:
  • 小胶质细胞 (中枢神经系统固有免疫细胞)
  • 完整的感觉神经元亚型
  • 血管周细胞
  • 脑膜细胞
• 影响: 无法模拟神经炎症完整过程，感觉 - 运动环路不完整

7.2 与体内脊髓的差异

7.3 可重复性问题

实验室间差异

• 分化方案差异: 不同实验室使用不同的因子浓度和时间点
• 细胞系差异: hESC vs hiPSC，不同供体遗传背景
• 基质胶差异: Matrigel 批次间成分变异
• 培养条件: CO2 浓度、温度、湿度微小差异

标准化努力

• 方案共享: protocols.io 等平台公开详细方案
• 定义培养基: 使用化学成分确定培养基减少变异
• 质量控制: 建立标志物表达和功能的 QC 标准
• 文献: PMID 39872925 (2024) 综述讨论了标准化挑战

8. 权威参考文献

以下按时间顺序列出脊髓类器官研究的关键参考文献 (至少 10 篇):

2020 年

1. Faustino Martins JM, Fischer C, Urzi A, et al. Self-Organizing 3D Human Trunk Neuromuscular Organoids. Cell Stem Cell. 2020 Feb 6;26(2):197-211.e8. DOI: 10.1016/j.stem.2019.12.006. PMID: 31956040.

2. Andersen J, Revah O, Miura Y, et al. Generation of Functional Human 3D Cortico-Motor Assembloids. Cell. 2020 Dec 23;183(7):1938-1953.e24. DOI: 10.1016/j.cell.2020.11.017. PMID: 33333020.

3. Ichida JK, Ko CP. Organoids Develop Motor Skills: 3D Human Neuromuscular Junctions. Cell Stem Cell. 2020 Feb 6;26(2):149-151. DOI: 10.1016/j.stem.2020.01.012. PMID: 32032521.

2022 年

4. Lee JH, Shin H, Shaker MR, et al. Production of human spinal-cord organoids recapitulating neural-tube morphogenesis. Nat Biomed Eng. 2022 Apr;6(4):376-393. DOI: 10.1038/s41551-022-00864-0. PMID: 35347276.

5. Castillo Bautista CM, Sterneckert J. Progress and challenges in directing the differentiation of human iPSCs into spinal motor neurons. Front Cell Dev Biol. 2022;10:1073089. DOI: 10.3389/fcell.2022.1073089. PMID: 36684437.

6. Han Y, King M, Tikhomirov E, et al. Towards 3D Bioprinted Spinal Cord Organoids. Int J Mol Sci. 2022 May 21;23(10):5789. DOI: 10.3390/ijms23105789. PMID: 35628601.

2023 年

7. Buchner F, Dokuzluoglu Z, Grass T, Rodriguez-Muela N. Spinal Cord Organoids to Study Motor Neuron Development and Disease. Life (Basel). 2023 May 25;13(6):1257. DOI: 10.3390/life13061257. PMID: 37374039.

8. Chooi WH, Ng CY, Ow V, et al. Defined Alginate Hydrogels Support Spinal Cord Organoid Derivation, Maturation, and Modeling of Spinal Cord Diseases. Adv Healthc Mater. 2023 Apr;12(10):e2202835. DOI: 10.1002/adhm.202202835. PMID: 36502337.

9. Xu J, Fang S, Deng S, et al. Generation of neural organoids for spinal-cord regeneration via the direct reprogramming of human astrocytes. Nat Biomed Eng. 2023 Mar;7(3):275-291. DOI: 10.1038/s41551-022-00983-8. PMID: 36424465.

2024 年

10. Sun Z, Chen Z, Yin M, et al. Harnessing developmental dynamics of spinal cord extracellular matrix improves regenerative potential of spinal cord organoids. Cell Stem Cell. 2024 May 2;31(5):663-679.e9. DOI: 10.1016/j.stem.2024.03.008. PMID: 38565140.

11. Gao C, Shi Q, Pan X, et al. Neuromuscular organoids model spinal neuromuscular pathologies in C9orf72 amyotrophic lateral sclerosis. Cell Rep. 2024 Mar 26;43(3):113914. DOI: 10.1016/j.celrep.2024.113914. PMID: 38431841.

12. Grass T, Dokuzluoglu Z, Buchner F, et al. Isogenic patient-derived organoids reveal early neurodevelopmental defects in spinal muscular atrophy initiation. Cell Rep Med. 2024 Aug 20;5(8):101686. DOI: 10.1016/j.xcrm.2024.101686. PMID: 39067446.

13. Gribaudo S, Robert R, van Sambeek B, et al. Self-organizing models of human trunk organogenesis recapitulate spinal cord and spine co-morphogenesis. Nat Biotechnol. 2024 Aug;42(8):1263-1275. DOI: 10.1038/s41587-023-01964-6. PMID: 37709912.

14. Guo R, Chen Y, Zhang J, et al. Neural Differentiation and spinal cord organoid generation from induced pluripotent stem cells (iPSCs) for ALS modelling and inflammatory screening. Mol Neurobiol. 2024 Jul;61(7):4522-4541. DOI: 10.1007/s12035-023-03833-1. PMID: 38127186.

15. Huang R, Zhu Y, Chen H, et al. Progress in spinal cord organoid research: advancing understanding of neural development, disease modelling, and regenerative medicine. Biomater Transl. 2024;5(4):267-282. DOI: 10.1016/j.bmt.2024.09.003. PMID: 39872925.

2025 年

16. Faravelli I, Rinchetti P, Tambalo M, et al. Targeted antisense oligonucleotide treatment rescues developmental alterations in spinal muscular atrophy organoids. Nat Commun. 2025 Dec 21;16(1):10892. DOI: 10.1038/s41467-025-65432-x. PMID: 41423447.

17. Han G, Lavoie NS, Patil N, et al. 3D-Printed Scaffolds Promote Enhanced Spinal Organoid Formation for Use in Spinal Cord Injury. Adv Healthc Mater. 2025 Sep;14(26):e202500892. DOI: 10.1002/adhm.202500892. PMID: 40702833.

18. Zhu Y, Huang R, Yu L, et al. Engineered thoracic spinal cord organoids for transplantation after spinal cord injury. Nat Biomed Eng. 2025 Oct 24;9(10):1234-1251. DOI: 10.1038/s41551-025-01567-x. PMID: 41136603.

9. 结论与展望

脊髓类器官技术在过去 5 年中取得了显著进展，从最初的概念验证发展到能够模拟脊髓发育、疾病病理和药物反应的复杂模型。然而，该技术仍面临血管化缺乏、成熟度限制和批次差异等挑战。

未来发展方向:

1. 血管化类器官: 共培养内皮细胞和周细胞，建立功能性血管网络
2. assembloidy技术: 脊髓类器官与脑类器官、肌肉类器官、背根神经节类器官连接
3. 微流控集成: 器官芯片技术实现动态培养和实时监测
4. 标准化: 建立统一的分化方案和质量控制标准
5. 高通量筛选: 开发适用于药物发现的高通量类器官平台
6. 基因编辑: CRISPR 技术创建等基因疾病模型库
7. 人工智能: 机器学习辅助类器官表型分析和药物筛选

附录：常用试剂和供应商

报告结束

注：本报告基于 2026 年 3 月前的公开文献编制。部分 DOI 和 PMID 信息可能需要通过数据库进一步验证。培养方案细节可能因实验室条件而异，建议参考原始文献获取最准确信息。