醫(yī)學界一直致力于對人類大腦的深入研究,以期更好地理解其結構和功能,開創(chuàng)疾病預防和治療新策略。類器官技術的出現(xiàn)為這一領域帶來了前所未有的新突破。近日,科學家們發(fā)現(xiàn)了在全人源細胞培養(yǎng)系統(tǒng)中可以開發(fā)功能性小腦類器官的研究平臺,相關研究成果刊發(fā)在《Cell Stem Cell》(影響因子IF=23.90)上。這個首次在體外培養(yǎng)出的小腦類器官模型,有望為神經(jīng)科學和個性化醫(yī)療帶來重大變革,或將成為加速相關疾病藥物研發(fā)的助推器。
小腦(cerebellum, CB)研究一直備受關注。
已經(jīng)有研究表明小腦在協(xié)調(diào)機體運動、維持平衡中發(fā)揮著關鍵作用,此外還包括語言、空間處理、工作記憶、情緒處理等認知功能中產(chǎn)生的影響。
與其他哺乳動物相比,人類的小腦具有神經(jīng)元亞型比例改變和小葉復雜性增加這兩大主要特征。一般認為小腦疾病(如Dandy-Walker畸形、小腦蚓部發(fā)育不良、髓母細胞瘤、自閉癥和共濟失調(diào)等)與一些人類特有的神經(jīng)祖細胞有關。
這些小腦疾病通過在小鼠模型中進行研究,但是小鼠模型無法完全體現(xiàn)人類小腦細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)細胞的體外培養(yǎng)系統(tǒng),填補研究模型的空缺。
近日,美國南加州大學Keck醫(yī)學院Giorgia Quadrato團隊開發(fā)了一種人類小腦類器官(hCerO),可以讓包含浦肯野細胞在內(nèi)的功能性小腦細胞,在體外人源三維環(huán)境中長期健康存活和成熟。相關成果[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胞,為研究人類小腦發(fā)育、穩(wěn)態(tài)和疾病提供了一個全新的視野和平臺。
01
首個小腦類器官
提升人腦研究新平臺
小腦是重要的軀體運動調(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%。
在所有的哺乳動物中,小腦起源于菱腦原節(jié)1號區(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),如浦肯野細胞(Purkinje cell);而菱唇負責生成谷氨酸能神經(jīng)元(Glutamatergic neurons,一類釋放谷氨酸的神經(jīng)元),如顆粒細胞(granule cell)。
人類小腦中有來自菱唇(Rhombic lip)的特有神經(jīng)祖細胞,而菱唇的異常發(fā)育與多種小腦疾病有關,包括Dandy-Walker畸形、小腦蚓部發(fā)育不良,以及最常見的轉移性兒童腦腫瘤髓母細胞瘤,其他小腦疾病(包括自閉癥、小腦共濟失調(diào))與小腦皮層主要輸出神經(jīng)元浦肯野細胞(Purkinje cell)的退化有關。
以上這些疾病研究主要在動物實驗中進行,但小鼠模型無法完全體現(xiàn)人類小腦細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,腦科學家們迫切需要開發(fā)一種全人源細胞培養(yǎng)系統(tǒng),能夠產(chǎn)生功能性浦肯野細胞。
隨著類器官技術的不斷成熟及科學家們對小腦研究的孜孜以求,南加州大學的科研團隊首次開發(fā)出人類小腦類器官(hCerO),成功破解了該領域的長期挑戰(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胞。
△ 該實驗的圖形概要。
小腦從菱腦原節(jié)1號區(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。研究人員構建了一個基于峽部組織者發(fā)育所需信號分子調(diào)節(jié)的類器官方案。
△ 人小腦類器官(hCerOs)可重復地產(chǎn)生人CB的細胞多樣性。
這個小腦類器官的出現(xiàn),填補了過往研究模型的缺失,可以重復產(chǎn)生人類小腦的細胞多樣性。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胞群。
研究人員對來自3個 2 個月大的類器官的 14,947 個細胞進行了單細胞 RNA 測序 (scRNA-seq),并通過將差異表達基因的特征與人類發(fā)育中小腦的內(nèi)源性細胞類型的預先存在的單細胞數(shù)據(jù)集進行比較,系統(tǒng)地對簇進行了分類。最終根據(jù)開發(fā)人腦的參考數(shù)據(jù)集進行了基準測試,得到一項獨立分析的證實,這將有助于構建人腦類器官圖譜。
△ hCerOs 顯示有組織的層狀分層,讓人聯(lián)想到外部顆粒細胞層 (EGL) 和浦肯野細胞層 (PCL)。
經(jīng)過培養(yǎng)的2個月大的hCerO形成獨特的細胞結構特征,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)絡活動,可以形成神經(jīng)功能網(wǎng)絡。
而經(jīng)過長期培養(yǎng)hCerO可以使浦肯野細胞健康存活和成熟,增加hCerO中興奮性和抑制性神經(jīng)元之間的功能連接水平。這些浦肯野細胞顯示了功能性神經(jīng)元的轉錄組學和電生理特征,解決了該領域的長期挑戰(zhàn)。
總體而言,該研究建立了一個類器官模型,這是首次在體外全人源細胞培養(yǎng)系統(tǒng)中,成功培養(yǎng)出具有功能性的浦肯野細胞。這一創(chuàng)新突破,解決了腦科學領域的一個重大技術難題,為研究人類小腦發(fā)育、穩(wěn)態(tài)和疾病提供了一個全新的平臺。為進一步認識小腦進化生物學,研究與菱唇發(fā)育相關疾病,重現(xiàn)小腦與其他腦區(qū)的連接,加速腦病相關藥物研發(fā),提供了一種有效的研究工具。
02
從疾病研究到藥物測試
類器官引領再生醫(yī)學發(fā)展
模擬復雜的人腦結構并建立體外研究模型并非易事。近年來,通過多能干細胞在受控培養(yǎng)環(huán)境中生成復雜的大腦類器官(Brain Organoids)為理解人腦發(fā)育的機制開辟了新的途徑。利用iPS干細胞(或組織)衍生大腦類器官,刷新了再生醫(yī)學和遺傳學的過往認知。
從干細胞衍生的單個神經(jīng)花環(huán)中生產(chǎn)人類大腦類器官,到iPSC衍生人腦皮質-運動類器官組裝體,科學家們對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器官的生理和病理狀態(tài),為醫(yī)學研究、藥物開發(fā)和疾病治療提供了全新的平臺。
△ 芝麻大小的類腦類器官是在實驗室中從人體細胞中培養(yǎng)出來的。他們正在提供對大腦的見解,并揭示可能導致某些人自閉癥的差異。
隨著類器官技術的飛躍發(fā)展,人類可借此體外模型,顛覆對過往研究的認知,探索更深更廣的再生醫(yī)學未知領域,增添更多面對復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構和功能,包含多種神經(jīng)元和膠質細胞類型,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,不斷精進的類器官有望在疾病模型、藥物篩選、個性化醫(yī)療、神經(jīng)康復研究等方面發(fā)揮作用,為大腦相關疾病帶來有效的治療手段,改善患者生活質量。
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類器官技術的成熟,為解開人類大腦未知之謎帶來了前所未有的機會。這種高仿真、高通量的疾病研究模型優(yōu)勢,讓類器官在疾病機制、藥物測試、基因編輯、新藥研發(fā)等領域均顯示出巨大的潛能,推動現(xiàn)代醫(yī)學和再生醫(yī)學的進步。相信在科學家的科研探索之下,以干細胞和類器官技術為代表的再生醫(yī)學,將在對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:
[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
