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撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

2009年，Hans Clevers 等人使用來自小鼠腸道的成體干細(xì)胞培育出首個(gè)腸道類器官，開創(chuàng)了類器官研究的時(shí)代。自2009年以來，類器官領(lǐng)域研究成果不斷，許多新型類器官和更復(fù)雜的類器官不斷涌現(xiàn)，使得我們可以自私實(shí)驗(yàn)室中模擬各個(gè)器官的功能，這為新藥研發(fā)、精準(zhǔn)治療、再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域帶來了更強(qiáng)大的工具。

類器官可以直接從組織的細(xì)胞中形成，還可以誘導(dǎo)干細(xì)胞發(fā)育為想要研究的類器官。到目前為止，大腦類器官都是在實(shí)驗(yàn)室中通過誘導(dǎo)胚胎干細(xì)胞或多能干細(xì)胞生長(zhǎng)成代表大腦不同區(qū)域的結(jié)構(gòu)來培養(yǎng)的。這需要使用特定的分子組合進(jìn)行誘導(dǎo)，而每種分子組合配方都需要進(jìn)行大量研究來開發(fā)。

2024年1月8日，Hans Clevers、Benedetta Artegiani 等人在 Cell 期刊發(fā)表了題為：Human fetal brain self-organizes into long-term expanding organoids 的研究論文。

該研究直接從人類胎兒大腦組織開發(fā)出了體外自組織的大腦類器官——FeBO（fetal brain organoids）。這種實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的類器官開辟了一種研究大腦發(fā)育的全新方式，還為研究大腦發(fā)育相關(guān)疾病，包括腦腫瘤的發(fā)展和治療提供了有價(jià)值的新手段。

想在培養(yǎng)皿中生長(zhǎng)出類器官，例如腸道類器官，通常需要將原始組織解離為單個(gè)細(xì)胞。而在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)驚奇地發(fā)現(xiàn)，使用小塊胎兒腦組織而不是單個(gè)腦細(xì)胞對(duì)于生長(zhǎng)出大腦類器官至關(guān)重要。

這些大腦類器官的約為一粒米大小，其組織的三維結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，包含多種不同類型的腦細(xì)胞。重要的是，這些大腦類器官含有許多所謂的外層放射狀膠質(zhì)細(xì)胞（outer radial glia，oRG）——一種在人類和我們的進(jìn)化祖先中發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞類型。這突顯了這些大腦類器官與人類大腦的密切相似性，并可用于研究人類大腦。

整個(gè)腦組織還產(chǎn)生了構(gòu)成細(xì)胞外基質(zhì)的蛋白質(zhì)，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這些蛋白質(zhì)可能是腦組織能夠自組織成三維大腦結(jié)構(gòu)的原因。類器官中細(xì)胞外基質(zhì)的存在將允許進(jìn)一步研究腦細(xì)胞環(huán)境，以及當(dāng)這種環(huán)境出現(xiàn)問題時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

人胎兒大腦器官的全景圖：干細(xì)胞由SOX2標(biāo)記（灰色），神經(jīng)元（TUJ1）根據(jù)深度從粉紅色到黃色

人胎兒大腦器官的局部放大圖：干細(xì)胞由SOX2標(biāo)記（青色），神經(jīng)元（TUJ1）根據(jù)深度從粉紅色到黃色

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，人胎兒腦組織來源的大腦類器官保留了它們來源的特定大腦區(qū)域的各種特征。它們對(duì)在大腦發(fā)育中起重要作用的信號(hào)分子做出反應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)表明，組織來源的類器官可能在解開復(fù)雜的分子網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用，這些分子參與指導(dǎo)大腦的發(fā)育。

鑒于組織來源的類器官具有快速擴(kuò)張的能力，研究團(tuán)隊(duì)接下來研究了它們?cè)谀M腦腫瘤中的潛力。他們使用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)在這些大腦類器官中的少量細(xì)胞中引入了TP53基因缺陷。結(jié)果顯示，3個(gè)月后，具有TP53基因缺陷的細(xì)胞完全超過了類器官中的健康細(xì)胞，這意味著它們獲得了生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，而這是癌細(xì)胞的典型特征。

然后，他們使用CRISPR-Cas9關(guān)閉了與腦腫瘤膠質(zhì)母細(xì)胞瘤相關(guān)的三個(gè)基因：TP53、PTEN和NF1，還使用這些突變類器官來觀察它們對(duì)現(xiàn)有癌癥藥物的反應(yīng)。這些實(shí)驗(yàn)展示了類器官在癌癥藥物研究中將特定藥物與特定基因突變聯(lián)系起來的潛力。

這些組織來源的大腦類器官在培養(yǎng)皿中持續(xù)生長(zhǎng)了超過六個(gè)月。重要的是，它們是可復(fù)制的，能夠從一個(gè)組織樣本中生長(zhǎng)出許多類似的類器官。帶有膠質(zhì)母細(xì)胞瘤基因突變的腫瘤類器官也能夠復(fù)制，保持相同的突變混合。這一特點(diǎn)意味著科學(xué)家們可以使用這些組織來源的類器官進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，增加研究發(fā)現(xiàn)的可靠性。

四張不同人胎兒組織來源的大腦器官的放大圖像，不同的神經(jīng)標(biāo)記物被染色，描繪了它們的細(xì)胞異質(zhì)性和結(jié)構(gòu)

接下來，研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是進(jìn)一步探索這種組織來源的大腦類器官的潛力。他們還計(jì)劃繼續(xù)與已經(jīng)參與了這項(xiàng)研究的生物倫理學(xué)家合作，以指導(dǎo)大腦類器官的未來發(fā)展和應(yīng)用。

論文共同通訊作者 Benedetta Artegiani 表示，來自胎兒組織的大腦類器官是研究人類大腦發(fā)育的寶貴新工具。我們現(xiàn)在可以更容易地研究發(fā)育中的大腦如何擴(kuò)張，并觀察不同細(xì)胞類型及其環(huán)境的作用，可以讓我們更好地理解發(fā)育中的大腦如何調(diào)節(jié)細(xì)胞的身份，還有助于理解在這個(gè)過程中的錯(cuò)誤如何導(dǎo)致神經(jīng)發(fā)育疾病，例如小頭畸形，以及其他可能源于發(fā)育異常的疾病，包括兒童腦腫瘤。

第一作者兼共同通訊作者 Delilah Hendriks 表示，這些新的胎兒組織來源的類器官可以提供新見解，幫助我們了解是什么塑造了大腦的不同區(qū)域，以及是什么創(chuàng)造了細(xì)胞多樣性。我們的類器官是大腦類器官領(lǐng)域的重要補(bǔ)充，可以補(bǔ)充現(xiàn)有的多能干細(xì)胞來源的類器官。

類器官之父、該論文的共同通訊作者 Hans Clevers 教授表示，通過這項(xiàng)研究，我們?yōu)轭惼鞴俸痛竽X研究領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)。自從十多年前我們開發(fā)了第一個(gè)人類腸道類器官以來，很高興看到類器官技術(shù)已經(jīng)真正起飛。現(xiàn)在，類器官已經(jīng)被開發(fā)用于幾乎所有人體組織，包括健康和疾病組織，包括兒童腫瘤。我們能夠從大多數(shù)人體器官組織中獲得類器官，但卻無(wú)法從大腦組織中獲得類器官，而我們現(xiàn)在已經(jīng)跨越類這個(gè)障礙，這真的很令人興奮。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)01344-2

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