醫(yī)學(xué)界一直致力于對(duì)人類大腦的深入研究,以期更好地理解其結(jié)構(gòu)和功能,開創(chuàng)疾病預(yù)防和治療新策略。類器官技術(shù)的出現(xiàn)為這一領(lǐng)域帶來了前所未有的新突破。近日,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了在全人源細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)中可以開發(fā)功能性小腦類器官的研究平臺(tái),相關(guān)研究成果刊發(fā)在《Cell Stem Cell》(影響因子IF=23.90)上。這個(gè)首次在體外培養(yǎng)出的小腦類器官模型,有望為神經(jīng)科學(xué)和個(gè)性化醫(yī)療帶來重大變革,或?qū)⒊蔀榧铀傧嚓P(guān)疾病藥物研發(fā)的助推器。
小腦(cerebellum, CB)研究一直備受關(guān)注。
已經(jīng)有研究表明小腦在協(xié)調(diào)機(jī)體運(yùn)動(dòng)、維持平衡中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,此外還包括語言、空間處理、工作記憶、情緒處理等認(rèn)知功能中產(chǎn)生的影響。
與其他哺乳動(dòng)物相比,人類的小腦具有神經(jīng)元亞型比例改變和小葉復(fù)雜性增加這兩大主要特征。一般認(rèn)為小腦疾病(如Dandy-Walker畸形、小腦蚓部發(fā)育不良、髓母細(xì)胞瘤、自閉癥和共濟(jì)失調(diào)等)與一些人類特有的神經(jīng)祖細(xì)胞有關(guān)。
這些小腦疾病通過在小鼠模型中進(jìn)行研究,但是小鼠模型無法完全體現(xiàn)人類小腦細(xì)胞多樣性以及功能特征,也無法完全重現(xiàn)人類疾病的各種表型。因此,迫切需要開發(fā)一種可以產(chǎn)生功能性小腦神經(jīng)細(xì)胞的體外培養(yǎng)系統(tǒng),填補(bǔ)研究模型的空缺。
近日,美國南加州大學(xué)Keck醫(yī)學(xué)院Giorgia Quadrato團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種人類小腦類器官(hCerO),可以讓包含浦肯野細(xì)胞在內(nèi)的功能性小腦細(xì)胞,在體外人源三維環(huán)境中長期健康存活和成熟。相關(guān)成果[1]發(fā)表在Cell Stem Cell雜志上。
該研究建立的小腦類器官模型,解決了該領(lǐng)域的長期挑戰(zhàn)。這也是首次在全人源系統(tǒng)中成功培育出功能神經(jīng)元分子和電生理特征的浦肯野細(xì)胞,為研究人類小腦發(fā)育、穩(wěn)態(tài)和疾病提供了一個(gè)全新的視野和平臺(tái)。
01
首個(gè)小腦類器官
提升人腦研究新平臺(tái)
小腦是重要的軀體運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)中樞之一,雖然僅占大腦總體積的10%,卻包含有大腦神經(jīng)元數(shù)量的50%-80%。
在所有的哺乳動(dòng)物中,小腦起源于菱腦原節(jié)1號(hào)區(qū)域(rhombomere 1, r1),r1區(qū)域又包含了腦室區(qū)(ventricular zone, VZ)和菱唇(rhomboid lip, RL)。腦室區(qū)可生成γ-氨基丁酸能神經(jīng)元(GABAergic neuron,一類釋放γ-氨基丁酸的神經(jīng)元),如浦肯野細(xì)胞(Purkinje cell);而菱唇負(fù)責(zé)生成谷氨酸能神經(jīng)元(Glutamatergic neurons,一類釋放谷氨酸的神經(jīng)元),如顆粒細(xì)胞(granule cell)。
人類小腦中有來自菱唇(Rhombic lip)的特有神經(jīng)祖細(xì)胞,而菱唇的異常發(fā)育與多種小腦疾病有關(guān),包括Dandy-Walker畸形、小腦蚓部發(fā)育不良,以及最常見的轉(zhuǎn)移性兒童腦腫瘤髓母細(xì)胞瘤,其他小腦疾病(包括自閉癥、小腦共濟(jì)失調(diào))與小腦皮層主要輸出神經(jīng)元浦肯野細(xì)胞(Purkinje cell)的退化有關(guān)。
以上這些疾病研究主要在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行,但小鼠模型無法完全體現(xiàn)人類小腦細(xì)胞多樣性以及功能特征(主要是人類小腦具有神經(jīng)元亞型比例改變和小葉復(fù)雜性增加這兩大主要特征),也無法完全重現(xiàn)人類疾病的各種表現(xiàn)。因此,腦科學(xué)家們迫切需要開發(fā)一種全人源細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng),能夠產(chǎn)生功能性浦肯野細(xì)胞。
隨著類器官技術(shù)的不斷成熟及科學(xué)家們對(duì)小腦研究的孜孜以求,南加州大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)首次開發(fā)出人類小腦類器官(hCerO),成功破解了該領(lǐng)域的長期挑戰(zhàn)。這也是首次在全人源系統(tǒng)中成功培育出功能神經(jīng)元分子和電生理特征的浦肯野細(xì)胞。
△ 該實(shí)驗(yàn)的圖形概要。
小腦從菱腦原節(jié)1號(hào)區(qū)域(R1)的最喙部區(qū)域發(fā)育而來,R1是發(fā)育中的神經(jīng)管的一個(gè)區(qū)域,位于峽部組織中心的尾部,峽部組織中心定義了中腦-后腦的邊界。研究人員構(gòu)建了一個(gè)基于峽部組織者發(fā)育所需信號(hào)分子調(diào)節(jié)的類器官方案。
△ 人小腦類器官(hCerOs)可重復(fù)地產(chǎn)生人CB的細(xì)胞多樣性。
這個(gè)小腦類器官的出現(xiàn),填補(bǔ)了過往研究模型的缺失,可以重復(fù)產(chǎn)生人類小腦的細(xì)胞多樣性。包括在此研究之前從未在體外生成的人類特異性菱唇祖細(xì)胞群。
研究人員對(duì)來自3個(gè) 2 個(gè)月大的類器官的 14,947 個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了單細(xì)胞 RNA 測序 (scRNA-seq),并通過將差異表達(dá)基因的特征與人類發(fā)育中小腦的內(nèi)源性細(xì)胞類型的預(yù)先存在的單細(xì)胞數(shù)據(jù)集進(jìn)行比較,系統(tǒng)地對(duì)簇進(jìn)行了分類。最終根據(jù)開發(fā)人腦的參考數(shù)據(jù)集進(jìn)行了基準(zhǔn)測試,得到一項(xiàng)獨(dú)立分析的證實(shí),這將有助于構(gòu)建人腦類器官圖譜。
△ hCerOs 顯示有組織的層狀分層,讓人聯(lián)想到外部顆粒細(xì)胞層 (EGL) 和浦肯野細(xì)胞層 (PCL)。
經(jīng)過培養(yǎng)的2個(gè)月大的hCerO形成獨(dú)特的細(xì)胞結(jié)構(gòu)特征,包括層狀組織層,并在抑制性和興奮性神經(jīng)元之間建立功能連接,顯示協(xié)調(diào)的網(wǎng)絡(luò)活動(dòng),可以形成神經(jīng)功能網(wǎng)絡(luò)。
而經(jīng)過長期培養(yǎng)hCerO可以使浦肯野細(xì)胞健康存活和成熟,增加hCerO中興奮性和抑制性神經(jīng)元之間的功能連接水平。這些浦肯野細(xì)胞顯示了功能性神經(jīng)元的轉(zhuǎn)錄組學(xué)和電生理特征,解決了該領(lǐng)域的長期挑戰(zhàn)。
總體而言,該研究建立了一個(gè)類器官模型,這是首次在體外全人源細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)中,成功培養(yǎng)出具有功能性的浦肯野細(xì)胞。這一創(chuàng)新突破,解決了腦科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重大技術(shù)難題,為研究人類小腦發(fā)育、穩(wěn)態(tài)和疾病提供了一個(gè)全新的平臺(tái)。為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)小腦進(jìn)化生物學(xué),研究與菱唇發(fā)育相關(guān)疾病,重現(xiàn)小腦與其他腦區(qū)的連接,加速腦病相關(guān)藥物研發(fā),提供了一種有效的研究工具。
02
從疾病研究到藥物測試
類器官引領(lǐng)再生醫(yī)學(xué)發(fā)展
模擬復(fù)雜的人腦結(jié)構(gòu)并建立體外研究模型并非易事。近年來,通過多能干細(xì)胞在受控培養(yǎng)環(huán)境中生成復(fù)雜的大腦類器官(Brain Organoids)為理解人腦發(fā)育的機(jī)制開辟了新的途徑。利用iPS干細(xì)胞(或組織)衍生大腦類器官,刷新了再生醫(yī)學(xué)和遺傳學(xué)的過往認(rèn)知。
從干細(xì)胞衍生的單個(gè)神經(jīng)花環(huán)中生產(chǎn)人類大腦類器官,到iPSC衍生人腦皮質(zhì)-運(yùn)動(dòng)類器官組裝體,科學(xué)家們對(duì)人類大腦的體外模型研究已近乎“爐火純青”的程度,這些類器官能夠在很多方面模擬真實(shí)器官的生理和病理狀態(tài),為醫(yī)學(xué)研究、藥物開發(fā)和疾病治療提供了全新的平臺(tái)。
△ 芝麻大小的類腦類器官是在實(shí)驗(yàn)室中從人體細(xì)胞中培養(yǎng)出來的。他們正在提供對(duì)大腦的見解,并揭示可能導(dǎo)致某些人自閉癥的差異。
隨著類器官技術(shù)的飛躍發(fā)展,人類可借此體外模型,顛覆對(duì)過往研究的認(rèn)知,探索更深更廣的再生醫(yī)學(xué)未知領(lǐng)域,增添更多面對(duì)復(fù)雜的未知疾病的底氣。
創(chuàng)新的類器官模型能夠模擬大腦的結(jié)構(gòu)和功能,包含多種神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞類型,為研究大腦發(fā)育、神經(jīng)退行性疾病和心理健康問題提供了有力的工具。未來,不斷精進(jìn)的類器官有望在疾病模型、藥物篩選、個(gè)性化醫(yī)療、神經(jīng)康復(fù)研究等方面發(fā)揮作用,為大腦相關(guān)疾病帶來有效的治療手段,改善患者生活質(zhì)量。
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類器官技術(shù)的成熟,為解開人類大腦未知之謎帶來了前所未有的機(jī)會(huì)。這種高仿真、高通量的疾病研究模型優(yōu)勢,讓類器官在疾病機(jī)制、藥物測試、基因編輯、新藥研發(fā)等領(lǐng)域均顯示出巨大的潛能,推動(dòng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和再生醫(yī)學(xué)的進(jìn)步。相信在科學(xué)家的科研探索之下,以干細(xì)胞和類器官技術(shù)為代表的再生醫(yī)學(xué),將在對(duì)抗疾病和提升健康水平方面發(fā)揮更多潛力,書寫更多生命“奇跡”。
參考文獻(xiàn):
[1] Alexander Atamian ,Marcella Birtele,et,al.Human cerebellar organoids with functional Purkinje cells,JANUARY 04,2024,Cell Stem Cell,DOl: https://doi.org/10.1016/.stem.2023.11.013
