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新型組織衍生的大腦類器官可能會(huì)給大腦研究帶來(lái)革命性的變化
摘要：科學(xué)家們已經(jīng)從人類胎兒腦組織中開(kāi)發(fā)出3D微型器官，這些器官可以在體外自我組織。
科學(xué)家們已經(jīng)從人類胎兒腦組織中開(kāi)發(fā)出了在體外能夠自我組織的3D微型器官。這些實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的類器官為研究大腦發(fā)育開(kāi)辟了一條全新的途徑。它們還為研究包括腦腫瘤在內(nèi)的與大腦發(fā)育有關(guān)的疾病的發(fā)展和治療提供了有價(jià)值的手段。
科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中使用不同的方法來(lái)模擬健康組織和疾病的生物學(xué)。這些包括細(xì)胞系、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，以及幾年來(lái)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(fù)雜性，使科學(xué)家能夠在實(shí)驗(yàn)室中密切模擬器官的功能。類器官可以直接由組織細(xì)胞形成?？茖W(xué)家還可以“引導(dǎo)”胚胎或某些成人組織中的干細(xì)胞發(fā)育成他們想要研究的器官。
到目前為止，大腦類器官是通過(guò)誘導(dǎo)胚胎干細(xì)胞或多能干細(xì)胞生長(zhǎng)成代表大腦不同區(qū)域的結(jié)構(gòu)而在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)出來(lái)的。他們將嘗試使用一種特定的分子雞尾酒來(lái)模擬大腦的自然發(fā)育，而每種雞尾酒的“配方”都需要大量的研究才能開(kāi)發(fā)出來(lái)。
現(xiàn)在，位于荷蘭烏得勒支的公主Máxima兒科腫瘤學(xué)中心和Hubrecht研究所的科學(xué)家們直接從人類胎兒腦組織中開(kāi)發(fā)出了腦類器官。這項(xiàng)研究星期一發(fā)表在著名的《Cell》雜志上，由荷蘭研究委員會(huì)部分資助。
由Delilah Hendriks博士、Hans Clevers教授和Benedetta Artegiani博士領(lǐng)導(dǎo)的研究人員驚訝地發(fā)現(xiàn)，使用小塊胎兒腦組織而不是單個(gè)細(xì)胞對(duì)于培養(yǎng)迷你大腦至關(guān)重要。為了培育其他微型器官，如腸道，科學(xué)家通常會(huì)將原始組織分解成單個(gè)細(xì)胞。研究小組發(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)很復(fù)雜，它包含了許多不同類型的腦細(xì)胞。重要的是，腦類器官含有許多所謂的外放射狀膠質(zhì)細(xì)胞——一種在人類和我們的進(jìn)化祖先身上發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞類型。這強(qiáng)調(diào)了類器官與人類大腦非常相似，并在研究中得到了應(yīng)用。
整個(gè)腦組織也產(chǎn)生了構(gòu)成細(xì)胞外基質(zhì)的蛋白質(zhì)——一種圍繞細(xì)胞的“腳手架”。研究小組認(rèn)為，這些蛋白質(zhì)可能是大腦組織碎片能夠自組織成3D大腦結(jié)構(gòu)的原因。類器官中細(xì)胞外基質(zhì)的存在將有助于進(jìn)一步研究腦細(xì)胞的環(huán)境，以及當(dāng)這種環(huán)境出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)會(huì)發(fā)生什么。
研究人員發(fā)現(xiàn)，組織衍生的類器官保留了它們產(chǎn)生的大腦特定區(qū)域的各種特征。它們對(duì)已知在大腦發(fā)育中起重要作用的信號(hào)分子做出反應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)表明，組織來(lái)源的類器官可能在解開(kāi)與指導(dǎo)大腦發(fā)育有關(guān)的復(fù)雜分子網(wǎng)絡(luò)方面發(fā)揮重要作用。
考慮到組織衍生的類器官快速擴(kuò)張的能力，研究小組下一步研究了它們?cè)谀M腦癌方面的潛力。研究人員使用基因編輯技術(shù)CRISPR-Cas9在類器官的少數(shù)細(xì)胞中引入了癌癥基因TP53的缺陷。三個(gè)月后，具有TP53缺陷的細(xì)胞完(空格)全超過(guò)了類器官中的健康細(xì)胞，這意味著它們獲得了生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，這是癌細(xì)胞的典型特征。
然后，他們使用CRISPR-Cas9關(guān)閉了與腦腫瘤膠質(zhì)母細(xì)胞瘤相關(guān)的三個(gè)基因:TP53、PTEN和NF1。研究人員還使用這些突變的類器官來(lái)觀察它們對(duì)現(xiàn)有癌癥藥物的反應(yīng)。這些實(shí)驗(yàn)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(lián)系起來(lái)的潛力。
組織來(lái)源的類器官在培養(yǎng)皿中持續(xù)生長(zhǎng)了6個(gè)多月。重要的是，科學(xué)家們可以繁殖它們，使他們能夠從一個(gè)組織樣本中培養(yǎng)出許多相似的類器官。具有膠質(zhì)母細(xì)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(diǎn)意味著科學(xué)家可以用組織來(lái)源的類器官進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，從而提高了他們發(fā)現(xiàn)的可靠性。
圖2 FeBO細(xì)胞系建立的供體組織特征
接下來(lái)，研究人員的目標(biāo)是進(jìn)一步探索他們的新組織來(lái)源的腦類器官的潛力。他們還計(jì)劃繼續(xù)與生物倫理學(xué)家合作——他們已經(jīng)參與了這項(xiàng)研究的形成——以指導(dǎo)新的類腦器官的未來(lái)發(fā)展和應(yīng)用。
Benedetta Artegiani博士是公主Máxima兒科腫瘤學(xué)中心的研究小組負(fù)責(zé)人，也是這項(xiàng)研究的共同負(fù)責(zé)人，他說(shuō):“來(lái)自胎兒組織的大腦類器官是研究人類大腦發(fā)育的寶貴新工具。我們現(xiàn)在可以更容易地研究發(fā)育中的大腦是如何擴(kuò)張的，并觀察不同類型的細(xì)胞及其環(huán)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(fā)育中的大腦如何調(diào)節(jié)細(xì)胞的身份。它還可以幫助我們理解這個(gè)過(guò)程中的錯(cuò)誤是如何導(dǎo)致小頭癥等神經(jīng)發(fā)育疾病，以及其他可能源于發(fā)育異常的疾病，包括兒童腦癌?！?/div>
Delilah Hendriks博士是公主Máxima兒童腫瘤學(xué)中心的附屬小組組長(zhǎng)，也是Hubrecht研究所的博士后研究員和Oncode調(diào)查員，他是這項(xiàng)研究的共同負(fù)責(zé)人，他說(shuō):“這些新的胎兒組織衍生的類器官可以為大腦不同區(qū)域的形成以及細(xì)胞多樣性的形成提供新的見(jiàn)解。我們的類器官是腦類器官領(lǐng)域的重要補(bǔ)充，可以補(bǔ)充現(xiàn)有的由多能干細(xì)胞制成的類器官。我們希望從這兩種模型中學(xué)習(xí)，以解碼人類大腦的復(fù)雜性。能夠持續(xù)生長(zhǎng)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(xué)習(xí)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(lái)探索人類大腦的新發(fā)現(xiàn)?！?/div>
Hans Clevers教授博士是類器官研究的先驅(qū)，也是Hubrecht研究所和Princess Máxima兒科腫瘤學(xué)中心和Oncode調(diào)查員的前研究小組負(fù)責(zé)人，他共同領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。他說(shuō):“通過(guò)我們的研究，我們正在為類器官和大腦研究領(lǐng)域做出重要貢獻(xiàn)。自從我們?cè)?011年開(kāi)發(fā)出第一個(gè)人類腸道類器官以來(lái)，很高興看到這項(xiàng)技術(shù)真正取得了進(jìn)展。從那時(shí)起，類器官已經(jīng)被開(kāi)發(fā)用于人體幾乎所有的組織，包括健康的和患病的，包括越來(lái)越多的兒童腫瘤。到目前為止，我們能夠從大多數(shù)人體器官中獲得類器官，但不能從大腦中獲得——我們現(xiàn)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
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