研究人員在人類大腦“類器官”的發(fā)展方面取得了重大進(jìn)展 - 微型3D組織培養(yǎng)模擬了盤子中的大腦。發(fā)表在“自然”雜志上的這種新方法與發(fā)育中的人類大腦皮層一樣，以相同的順序生長相同類型的細(xì)胞。這一進(jìn)展可能改變研究人員研究神經(jīng)精神疾病的方式并測試藥物的有效性。

人類神經(jīng)疾病背后的遺傳學(xué)是復(fù)雜的，基因組的大跨度有助于疾病的發(fā)生和發(fā)展。研究其他動物的神經(jīng)系統(tǒng)疾病為相關(guān)發(fā)現(xiàn)提供了有限的機(jī)會，因?yàn)槿祟惖拇竽X非常獨(dú)特。

有機(jī)體 - 簡化的多細(xì)胞復(fù)制品，具有它們模擬的器官的一些特征，類器官使科學(xué)家能夠看到結(jié)構(gòu)內(nèi)的細(xì)胞類型如何相互作用 - 為直接研究人類疾病提供了巨大的希望。但到目前為止，他們在一個(gè)非常重要的方面失敗了：他們是不一致的。

“我們可能都會以不同的方式使用我們的大腦，但我們每個(gè)人都有相同的細(xì)胞類型和基本連接集合，”資深作者Paola Arlotta說，他是哈佛大學(xué)干細(xì)胞和再生生物學(xué)的Golub家庭教授，也是Broad's Stanley的成員。精神病研究中心。“這種一致性是至關(guān)重要的，除了極少數(shù)例外，每當(dāng)人腦在子宮中形成時(shí)，它就會被復(fù)制。在我們的大腦中細(xì)胞類型和結(jié)構(gòu)方面，我們之間只存在最小的差異。“

到目前為止，類器官的情況并非如此。雖然它們確實(shí)產(chǎn)生人腦細(xì)胞，但每一個(gè)細(xì)胞都是獨(dú)特的。這意味著它們不能輕易地用于可靠地比較患病和對照腦組織之間的差異。

“有機(jī)體大大提高了我們研究人類發(fā)育中大腦的能力，”Arlotta說。“但直到現(xiàn)在，每個(gè)人都有自己的雪花，以一種一開始就無法預(yù)測的方式制造自己特殊的細(xì)胞類型。我們解決了這個(gè)問題。“

在晚期干細(xì)胞生物學(xué)家Yoshiki Sasai領(lǐng)導(dǎo)的開創(chuàng)性工作的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了幾乎無法區(qū)分的類器官 - 即使在實(shí)驗(yàn)室中生長超過六個(gè)月。此外，在特定的培養(yǎng)條件下，類器官是健康的并且能夠發(fā)育足夠長的時(shí)間以產(chǎn)生通常在人類大腦皮層中發(fā)現(xiàn)的廣譜細(xì)胞類型。

這些進(jìn)展意味著腦類器官現(xiàn)在可以用作直接研究患者組織疾病的可行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并比較各種藥物的效果。“人腦類器官創(chuàng)造了理解人類大腦發(fā)育的機(jī)會，并提供了一個(gè)關(guān)鍵模型，在分散的細(xì)胞培養(yǎng)物和動物之間進(jìn)行調(diào)解，以研究許多破壞性的神經(jīng)發(fā)育障礙，”斯坦利中心的核心研究所成員兼主任史蒂文海曼說。“到目前為止，這種模式的效用受到其變化的限制。Arlotta實(shí)驗(yàn)室邁出了一大步，將腦類器官制作成研究人類大腦疾病的急需模型。“

同樣的細(xì)胞，同樣的方式

研究人員專注于大腦皮層的類器官 - 大腦皮層的一部分，負(fù)責(zé)認(rèn)知，語言和感覺。大腦皮層在神經(jīng)精神疾病如自閉癥譜系障礙和精神分裂癥中起關(guān)鍵作用。

哈佛大學(xué)和布羅德研究所的研究科學(xué)家Silvia Velasco說：“我們從多個(gè)來自男性和女性的干細(xì)胞系中制造了類器官，因此它們的遺傳背景不同。”

人腦組織生長非常緩慢。在這項(xiàng)研究中，六個(gè)月后，類器官已經(jīng)長到3毫米。迄今為止，在大腦類器官中最大的單細(xì)胞RNA測序?qū)嶒?yàn)中，研究人員根據(jù)哪些基因在不同階段表達(dá)而對細(xì)胞進(jìn)行分組。使用計(jì)算模型進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，他們將每組與胚胎大腦皮層中發(fā)育的細(xì)胞類型進(jìn)行比較。

“盡管有不同的遺傳背景，我們看到相同的細(xì)胞類型以相同的方式，以正確的順序，最重要的是，在每個(gè)類器官中，”Velasco說。“我們真的很興奮，這個(gè)模型給了我們這樣的一致性。”

一種研究疾病的新方法使用本研究中優(yōu)化的方法，研究人員可以從患者的干細(xì)胞中制造類器官，或者設(shè)計(jì)含有與特定疾病相關(guān)的突變的細(xì)胞。Arlotta的實(shí)驗(yàn)室目前正在探索自閉癥，使用CRISPR / Cas9基因編輯技術(shù)開發(fā)特異于該疾病的腦類器官。

“現(xiàn)在可以將'對照'類器官與我們創(chuàng)造的類器官與我們知道與疾病相關(guān)的突變進(jìn)行比較。這將使我們更加確定哪些差異是有意義的，哪些細(xì)胞受到影響，哪些分子途徑出錯(cuò)，“Arlotta說。“具有可重復(fù)的類器官將有助于我們更快地采取具體的干預(yù)措施，因?yàn)樗鼈儗⒅笇?dǎo)我們產(chǎn)生引起疾病的特定遺傳特征。在未來，我預(yù)計(jì)我們將能夠就精神疾病背景下出現(xiàn)的問題提出更為精確的問題。“