Cell:利用人类大脑类器官成功再现人类大脑发育中的关键事件

  类器官(organoid)是在培养皿中精心培养的细胞集合,旨在比传统的细胞培养物更好地模拟器官结构和组成,使得人们对大脑等器官的生长和发育有了独特的看法。为了使它们在实验中发挥作用,科学家们需要确定这些模型如何忠实地再现体内细胞的行为。

  如今,在一项新的研究中,来自美国布罗德研究所的研究人员发现人类大脑类器官重现了正在发育的负责运动、感知和思考的人类大脑皮层中的许多重要细胞和分子事件。相关研究结果发表在2022年9月29日的Cell期刊上,论文标题为“Proper acquisition of cell class identity in organoids allows definition of fate specification programs of the human cerebral cortex”。

  

  这些作者利用干细胞培育出了大脑类器官,并在六个月的时间里仔细研究了它们的生长情况,为此他们使用了在单细胞水平上随着时间的推移绘制细胞位置、基因表达和染色质可及性---决定了基因活性如何受到调节---的工具。他们随后构建了一个“图谱”,描述了从大脑类器官中提取的60多万个在发育和成熟过程中被采样的细胞。他们发现,第一个月后,在他们制作的每个大脑类器官中,相同类型的细胞以相同的顺序发育,并表达了与发育中的人类胚胎相同的基因。

  论文通讯作者、布罗德研究所斯坦利精神病研究中心副成员的Paola Arlotta说,“这对我们来说证实这一点是非常重要的。这告诉我们,我们可以用这些人类大脑类器官来研究我们之前无法研究的人脑发育过程。”

  这些作者还能够确定人类特有的基因表达模式和其他关键发育因子。他们建议,由于这些大脑类器官是相当准确的早期大脑发育模型,并且可以在实验室中利用一小部分干细胞相对大量地培育出,这些模型可能能够有助于加快对大脑健康和神经发育障碍的研究。

  Arlotta说,“该领域已经花费了---并将继续花费---如此多的时间来开发更好、更可靠、更容易生长的人类大脑类器官模型。如今我们发现我们已达到了一个足够好的程度,可以研究人类大脑皮层的一些生物过程。这将推动该领域更深入地了解我们的大脑是如何形成的,以及是什么让它变得特别。”

  评估模型

  类器官对于研究人类发育特别有用,因为在人类中不能使用用于研究其他动物的标准方法。不过一些科学家以前曾质疑,用于培育大脑类器官的培养皿是否能作为人类大脑复杂环境的现实替身。的确,类器官和其他在实验室里培养的细胞一样,很容易遭受应激,因此并不是研究生理过程的良好模型。

  然而,Arlotta实验室和其他研究小组近年来已证明了大脑类器官如何能够再现人类大脑发育的许多特征。在他们的这项新的研究中,Arlotta团队使用单细胞RNA测序来分析单个细胞的基因表达,并发现相同的基因在这些大脑类器官和先前研究的胎儿组织中都很活跃。在这些大脑类器官的许多细胞中,只有两种细胞显示出与代谢应激有关的基因活性增加,可能反映了这些大脑类器官中心的缺氧情况。然而,这种影响并没有改变这些大脑类器官中的细胞类型,这表明这些模型的代谢状态并没有明显改变它们。

  论文共同第一作者、Arlotta实验室计算科学家Amanda Kedaigle说,“这是向前迈出的重要一步。不正常的细胞代谢是在研究中使用类器官的一个重大的障碍。”

  人类特有的

  这些作者利用这些基因表达数据建立了这些人类大脑类器官中细胞分化的“生命之树”,显示了干细胞如何成为神经胶质细胞或神经元,然后再分化为这些细胞的亚型。通过将这种细胞分化树与小鼠的细胞分化树进行比较,他们发现了人类特有的基因表达模式和转录因子--基因活性的调节因子。他们确定了可能有助于确定人类的细胞谱系如何建立的基因,并计划接下来研究这些基因的功能。

  

  图片来自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.09.010。

  这些作者还分析了通常只发生在子宫内的早期发育阶段。他们观察到一种叫做胼胝体投射神经元(callosal projection neuron)的细胞,在成年人中比小鼠有更多的亚型,即使在这些早期阶段也已经变得多样化。这些细胞在人类中比其他物种更丰富,并且在人类进化过程中对大脑皮层的扩张做出了贡献。科学家们长期以来一直想知道这些特殊细胞是如何以及何时在人类大脑中产生和分化的。

  论文共同第一作者、Arlotta实验室博士后研究员Ana Lopez Uzquiano说,“如今我们有了这些经过验证的可以形成胼胝体投射神经元的人类大脑类器官,我们可以深入研究关于它们起源的所有问题,这些问题我们一直都有,但从来没有回答过。”

  与此同时,这些作者已开始将他们的分析扩展到研究已经在实验室中生长了几年的类器官,以便了解后期发育。他们还在研究新的大脑类器官模型。最终,Arlotta团队希望利用患者的干细胞来构建可靠的、个性化的类器官模型,这样科学家们可以在其中测试潜在的药物,并预测患者的反应。

  Arlotta说,“我们和其他许多人一样,正在不断改进这些类器官。我总是开玩笑说,当我们完成一篇论文时,我们已经有了另一种具有更好功能的模型。这正是科学中应该发生的事情。你不断地向前迈进。”

  参考资料:

  1. Ana Uzquiano et al. Proper acquisition of cell class identity in organoids allows definition of fate specification programs of the human cerebral cortex. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.09.010.

  2. Brain organoids replicate key events in human brain development

  https://medicalxpress.com/news/2022-09-brain-organoids-replicate-key-events.html

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