類器官可以在體外更好地模擬器官結(jié)構(gòu)和組成，為研究人員提供了關(guān)于大腦等器官如何生長和發(fā)育的獨(dú)特視角。為了證明該模型的真實(shí)有效性，科學(xué)家們需要確定這些模型如何真實(shí)地再現(xiàn)體內(nèi)細(xì)胞的行為。

近日，來自Broad研究所和哈佛大學(xué)的研究人員在?CELL?上發(fā)表了題為?Proper acquisition of cell class identity in organoids allows definition of fate specification programs of the human cerebral cortex?的研究論文，該研究發(fā)現(xiàn)人腦類器官復(fù)制了發(fā)育中的人類皮層的許多重要細(xì)胞和分子事件。

該團(tuán)隊(duì)從干細(xì)胞中培養(yǎng)出大腦類器官，在六個(gè)月的時(shí)間里仔細(xì)研究了它們的生長情況，并使用工具在單細(xì)胞水平上和隨著時(shí)間的推移繪制出細(xì)胞位置、基因表達(dá)和染色質(zhì)可及性——這決定了基因活動的調(diào)控方式。?隨后，他們構(gòu)建了一個(gè)“圖譜”，描述了超過 600,000 個(gè)細(xì)胞的特征，這些細(xì)胞取樣自發(fā)育中和成熟的大腦類器官。研究小組發(fā)現(xiàn)在一個(gè)月后，在每個(gè)類器官中，相同類型的細(xì)胞以相同的順序發(fā)育并表達(dá)與發(fā)育中的人類胚胎中的細(xì)胞相同的基因。

該研究通訊作者Paola Arlotta說：“這告訴我們，我們可以使用這些人腦類器官來研究人腦發(fā)育過程，沒有人腦類器官，對于人腦發(fā)育的研究始終將處于不破之境。”

研究人員同時(shí)識別出人類獨(dú)有的基因表達(dá)模式和其他關(guān)鍵發(fā)育因素。他們認(rèn)為，由于這些類器官是早期大腦發(fā)育的相當(dāng)準(zhǔn)確的模型，并且可以在實(shí)驗(yàn)室中從一小部分干細(xì)胞中大量生長出來，因此這些模型可以幫助加速對大腦健康和神經(jīng)發(fā)育障礙的研究。

“該領(lǐng)域的研究人員將繼續(xù)花費(fèi)大量時(shí)間來開發(fā)更好、更可靠、更容易生長的人腦類器官，”Paola Arlotta 說，“目前我們已經(jīng)證明，我們達(dá)到了足以研究人類大腦皮層的一些生物學(xué)過程的水平，使得可以更深入地了解我們的大腦是如何構(gòu)成的以及其特殊之處?！?/p>

人腦類器官：神經(jīng)元及其樹突（綠色）、端腦（前腦），細(xì)胞（藍(lán)色）和細(xì)胞間的緊密連接（紅色）[Credit: Noelia Anton Bolanos and Irene Faravelli]

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腦類器官模型評估

使用類器官的一大障礙是：異常的細(xì)胞代謝

近年來，Arlotta 的實(shí)驗(yàn)室和其他小組已經(jīng)展示了大腦類器官如何能夠概括發(fā)育中的人類大腦的許多特征。在他們的最新研究中，Arlotta 的團(tuán)隊(duì)使用單細(xì)胞 RNA 測序來分析單個(gè)細(xì)胞中的基因表達(dá)，并發(fā)現(xiàn)相同的基因在類器官和先前研究的胎兒組織中是活躍的。在類器官的眾多細(xì)胞中，只有兩種細(xì)胞表現(xiàn)出與代謝應(yīng)激相關(guān)的基因活性增加，這可能反映了類器官中心缺乏氧氣。然而，這種效應(yīng)并沒有改變類器官中的細(xì)胞類型，這表明模型的代謝狀態(tài)并沒有顯著改變它們。

培養(yǎng)皿中研究人類發(fā)育

獨(dú)一無二的模型

研究小組利用基因表達(dá)數(shù)據(jù)，在類器官分化過程中構(gòu)建了細(xì)胞的“生命之樹”，展示了干細(xì)胞如何變成神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞或神經(jīng)元，然后分支成這些細(xì)胞的亞型。通過將這棵樹與小鼠進(jìn)行比較，研究人員發(fā)現(xiàn)了人類獨(dú)有的基因表達(dá)模式和轉(zhuǎn)錄因子——基因活動的調(diào)節(jié)因子。他們確定了可能有助于確定人類細(xì)胞譜系如何建立的基因，并計(jì)劃接下來研究這些基因的功能。

研究人員還分析了通常只發(fā)生在子宮內(nèi)的早期發(fā)育階段。他們觀察一種名為callosal projection neurons的細(xì)胞在成年人中比在小鼠中具有更多種類的亞型，這種現(xiàn)象在發(fā)育的早期階段就已經(jīng)出現(xiàn)。這些細(xì)胞在人類中比在其他物種中更豐富，并且在人類進(jìn)化過程中促進(jìn)了皮層的擴(kuò)張。長期以來，科學(xué)家們一直想知道這些特殊細(xì)胞是如何以及何時(shí)在人腦中出現(xiàn)和分化的。

該研究的共同第一作者 Ana Lopez Uzquiano 說：“現(xiàn)在我們有了這些類器官，這些類器官經(jīng)過驗(yàn)證可以在體外在線形成胼胝體神經(jīng)元的過程，我們可以深入研究關(guān)于它們起源的問題。”

與此同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始將他們的研究擴(kuò)展到實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)生長了幾年的類器官，可以一窺大腦類器官后期的發(fā)展。他們還在研究新的大腦類器官模型。最終，Arlotta 的團(tuán)隊(duì)希望利用患者的干細(xì)胞來創(chuàng)建可靠的、個(gè)性化的類器官，基于此測試潛在藥物的有效性并預(yù)測患者的反應(yīng)。

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參考資料：

[1] Uzquiano A, Kedaigle AJ, Pigoni M, et al. Proper acquisition of cell class identity in organoids allows definition of fate specification programs of the human cerebral cortex.?Cell.?

[2] Medical press"Brain organoids replicate key events in human brain developmen".

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