《Cell》新型組織衍生的大腦類器官可能會給大腦研究帶來革命性的變化

來源：作者：人氣：-發表時間：2024-01-11 11:07:00【大中小】

摘要：科學家們已經從人類胎兒腦組織中開發出3D微型器官，這些器官可以在體外自我組織。

科學家們已經從人類胎兒腦組織中開發出了在體外能夠自我組織的3D微型器官。這些實驗室培養的類器官為研究大腦發育開辟了一條全新的途徑。它們還為研究包括腦腫瘤在內的與大腦發育有關的疾病的發展和治療提供了有價值的手段。

科學家們在實驗室中使用不同的方法來模擬健康組織和疾病的生物學。這些包括細胞系、實驗動物，以及幾年來的3D微型器官。這些所謂的類器官具有特征和一定程度的復雜性，使科學家能夠在實驗室中密切模擬器官的功能。類器官可以直接由組織細胞形成。科學家還可以“引導”胚胎或某些成人組織中的干細胞發育成他們想要研究的器官。

到目前為止，大腦類器官是通過誘導胚胎干細胞或多能干細胞生長成代表大腦不同區域的結構而在實驗室中培養出來的。他們將嘗試使用一種特定的分子雞尾酒來模擬大腦的自然發育，而每種雞尾酒的“配方”都需要大量的研究才能開發出來。

現在，位于荷蘭烏得勒支的公主Máxima兒科腫瘤學中心和Hubrecht研究所的科學家們直接從人類胎兒腦組織中開發出了腦類器官。這項研究星期一發表在著名的《Cell》雜志上，由荷蘭研究委員會部分資助。

圖1 人類胎兒大腦自我組織成長期擴展的類器官

由Delilah Hendriks博士、Hans Clevers教授和Benedetta Artegiani博士領導的研究人員驚訝地發現，使用小塊胎兒腦組織而不是單個細胞對于培養迷你大腦至關重要。為了培育其他微型器官，如腸道，科學家通常會將原始組織分解成單個細胞。研究小組發現，這些小塊的胎兒腦組織可以自我組織成類器官，而不是研究小塊的胎兒腦組織。

大腦類器官大約有一粒米那么大。該組織的3D結構很復雜，它包含了許多不同類型的腦細胞。重要的是，腦類器官含有許多所謂的外放射狀膠質細胞——一種在人類和我們的進化祖先身上發現的細胞類型。這強調了類器官與人類大腦非常相似，并在研究中得到了應用。

整個腦組織也產生了構成細胞外基質的蛋白質——一種圍繞細胞的“腳手架”。研究小組認為，這些蛋白質可能是大腦組織碎片能夠自組織成3D大腦結構的原因。類器官中細胞外基質的存在將有助于進一步研究腦細胞的環境，以及當這種環境出現問題時會發生什么。

研究人員發現，組織衍生的類器官保留了它們產生的大腦特定區域的各種特征。它們對已知在大腦發育中起重要作用的信號分子做出反應。這一發現表明，組織來源的類器官可能在解開與指導大腦發育有關的復雜分子網絡方面發揮重要作用。

考慮到組織衍生的類器官快速擴張的能力，研究小組下一步研究了它們在模擬腦癌方面的潛力。研究人員使用基因編輯技術CRISPR-Cas9在類器官的少數細胞中引入了眾所周知的癌癥基因TP53的缺陷。三個月后，具有TP53缺陷的細胞完全超過了類器官中的健康細胞，這意味著它們獲得了生長優勢，這是癌細胞的典型特征。

然后，他們使用CRISPR-Cas9關閉了與腦腫瘤膠質母細胞瘤相關的三個基因:TP53、PTEN和NF1。研究人員還使用這些突變的類器官來觀察它們對現有癌癥藥物的反應。這些實驗表明，類器官在癌癥藥物研究中具有將某些藥物與特定基因突變聯系起來的潛力。

組織來源的類器官在培養皿中持續生長了6個多月。重要的是，科學家們可以繁殖它們，使他們能夠從一個組織樣本中培養出許多相似的類器官。具有膠質母細胞瘤基因變化的微型腫瘤也能夠繁殖，保持相同的突變組合。這一特點意味著科學家可以用組織來源的類器官進行重復實驗，從而提高了他們發現的可靠性。

圖2 FeBO細胞系建立的供體組織特征

接下來，研究人員的目標是進一步探索他們的新組織來源的腦類器官的潛力。他們還計劃繼續與生物倫理學家合作——他們已經參與了這項研究的形成——以指導新的類腦器官的未來發展和應用。

Benedetta Artegiani博士是公主Máxima兒科腫瘤學中心的研究小組負責人，也是這項研究的共同負責人，他說:“來自胎兒組織的大腦類器官是研究人類大腦發育的寶貴新工具。我們現在可以更容易地研究發育中的大腦是如何擴張的，并觀察不同類型的細胞及其環境的作用。我們新的組織衍生的大腦模型使我們能夠更好地了解發育中的大腦如何調節細胞的身份。它還可以幫助我們理解這個過程中的錯誤是如何導致小頭癥等神經發育疾病，以及其他可能源于發育異常的疾病，包括兒童腦癌。”

Delilah Hendriks博士是公主Máxima兒童腫瘤學中心的附屬小組組長，也是Hubrecht研究所的博士后研究員和Oncode調查員，他是這項研究的共同負責人，他說:“這些新的胎兒組織衍生的類器官可以為大腦不同區域的形成以及細胞多樣性的形成提供新的見解。我們的類器官是腦類器官領域的重要補充，可以補充現有的由多能干細胞制成的類器官。我們希望從這兩種模型中學習，以解碼人類大腦的復雜性。能夠持續生長和使用胎兒組織中的類腦器官也意味著我們可以從這種珍貴的材料中學習到盡可能多的東西。我們很高興能夠利用這些新的類組織器官來探索人類大腦的新發現。”

Hans Clevers教授博士是類器官研究的先驅，也是Hubrecht研究所和Princess Máxima兒科腫瘤學中心和Oncode調查員的前研究小組負責人，他共同領導了這項研究。他說:“通過我們的研究，我們正在為類器官和大腦研究領域做出重要貢獻。自從我們在2011年開發出第一個人類腸道類器官以來，很高興看到這項技術真正取得了進展。從那時起，類器官已經被開發用于人體幾乎所有的組織，包括健康的和患病的，包括越來越多的兒童腫瘤。到目前為止，我們能夠從大多數人體器官中獲得類器官，但不能從大腦中獲得——我們現在也能夠跨越這一障礙，這真的很令人興奮。”

參考資料

[1] Human fetal brain self-organizes into long-term expanding organoids