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！
类器官可以在体外更好地模拟器官结构和组成，为研究人员提供了关于大脑等器官如何生长和发育的独特视角。为了证明该模型的真实有效性，科学家们需要确定这些模型如何真实地再现体内细胞的行为。
近日，来自Broad研究所和哈佛大学的研究人员在 CELL 上发表了题为 Proper acquisition of cell class identity in organoids allows definition of fate specification programs of the human cerebral cortex 的研究论文，该研究发现人脑类器官复制了发育中的人类皮层的许多重要细胞和分子事件。
该团队从干细胞中培养出大脑类器官，在六个月的时间里仔细研究了它们的生长情况，并使用工具在单细胞水平上和随着时间的推移绘制出细胞位置、基因表达和染色质可及性——这决定了基因活动的调控方式。 随后，他们构建了一个“图谱”，描述了超过 600,000 个细胞的特征，这些细胞取样自发育中和成熟的大脑类器官。研究小组发现在一个月后，在每个类器官中，相同类型的细胞以相同的顺序发育并表达与发育中的人类胚胎中的细胞相同的基因。
该研究通讯作者Paola Arlotta说：“这告诉我们，我们可以使用这些人脑类器官来研究人脑发育过程，没有人脑类器官，对于人脑发育的研究始终将处于不破之境。”
研究人员同时识别出人类独有的基因表达模式和其他关键发育因素。他们认为，由于这些类器官是早期大脑发育的相当准确的模型，并且可以在实验室中从一小部分干细胞中大量生长出来，因此这些模型可以帮助加速对大脑健康和神经发育障碍的研究。
“该领域的研究人员将继续花费大量时间来开发更好、更可靠、更容易生长的人脑类器官，”Paola Arlotta 说，“目前我们已经证明，我们达到了足以研究人类大脑皮层的一些生物学过程的水平，使得可以更深入地了解我们的大脑是如何构成的以及其特殊之处。”
人脑类器官：神经元及其树突（绿色）、端脑（前脑），细胞（蓝色）和细胞间的紧密连接（红色）[Credit: Noelia Anton Bolanos and Irene Faravelli]
-
脑类器官模型评估
使用类器官的一大障碍是：异常的细胞代谢
近年来，Arlotta 的实验室和其他小组已经展示了大脑类器官如何能够概括发育中的人类大脑的许多特征。在他们的最新研究中，Arlotta 的团队使用单细胞 RNA 测序来分析单个细胞中的基因表达，并发现相同的基因在类器官和先前研究的胎儿组织中是活跃的。在类器官的众多细胞中，只有两种细胞表现出与代谢应激相关的基因活性增加，这可能反映了类器官中心缺乏氧气。然而，这种效应并没有改变类器官中的细胞类型，这表明模型的代谢状态并没有显著改变它们。
培养皿中研究人类发育
独一无二的模型
研究小组利用基因表达数据，在类器官分化过程中构建了细胞的“生命之树”，展示了干细胞如何变成神经胶质细胞或神经元，然后分支成这些细胞的亚型。通过将这棵树与小鼠进行比较，研究人员发现了人类独有的基因表达模式和转录因子——基因活动的调节因子。他们确定了可能有助于确定人类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。
研究人员还分析了通常只发生在子宫内的早期发育阶段。他们观察一种名为callosal projection neurons的细胞在成年人中比在小鼠中具有更多种类的亚型，这种现象在发育的早期阶段就已经出现。这些细胞在人类中比在其他物种中更丰富，并且在人类进化过程中促进了皮层的扩张。长期以来，科学家们一直想知道这些特殊细胞是如何以及何时在人脑中出现和分化的。
该研究的共同第一作者 Ana Lopez Uzquiano 说：“现在我们有了这些类器官，这些类器官经过验证可以在体外在线形成胼胝体神经元的过程，我们可以深入研究关于它们起源的问题。”
与此同时，该团队已经开始将他们的研究扩展到实验室中已经生长了几年的类器官，可以一窥大脑类器官后期的发展。他们还在研究新的大脑类器官模型。最终，Arlotta 的团队希望利用患者的干细胞来创建可靠的、个性化的类器官，基于此测试潜在药物的有效性并预测患者的反应。
类器官在个性化治疗、精准医疗领域具有巨大的应用前景，伯桢生物可以提供「类器官构建+药敏测试」的CRO服务，欢迎致电公司热线400-600-8315咨询。
参考资料：
[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".
每周四晚上7点到8点30分，锁定伯桢生物『聊聊类器官』直播间，分享类器官培养心得，交流类器官培养技术，共享类器官模型价值。
