细胞:利用人脑器官成功再现人脑发育中的关键事件

来源：100医疗网原创2022-10-06 1:17

在一项新的研究中，研究人员发现，人类大脑器官在负责运动、感知和思维的发育中的人类大脑皮层中复制了许多重要的细胞和分子事件。

Organoid是在培养皿中精心培养的细胞集合，旨在比传统细胞培养更好地模拟器官的结构和组成，使人们对大脑等器官的生长发育有独特的看法。为了让它们在实验中发挥作用，科学家需要确定这些模型如何忠实地再现体内细胞的行为。

现在，在一项新的研究中，美国布罗德研究所的研究人员发现，人类大脑器官在负责运动、感知和思维的发育中的人类大脑皮层中复制了许多重要的细胞和分子事件。相关研究成果发表在2022年9月29日的《细胞杂志》(Cell journal)上，题目是《有机ids中细胞类身份的正确获取允许定义人类大脑皮层的命运规范程序》。

这些作者培养了类脑器官，并在六个月内仔细研究了它们的生长。为此，他们使用工具在单细胞水平上绘制细胞位置、基因表达和染色质可及性随时间的变化，这决定了基因活动是如何调节的。然后，他们构建了一个地图，描述了在大脑器官发育和成熟过程中采集的60多万个细胞。他们发现，第一个月后，在他们制造的每个大脑器官中，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相同的基因。

论文作者、布罗德研究所斯坦利精神病学研究中心副成员保拉阿洛塔(Paola Arlotta)表示，我们确认这一点非常重要。这告诉我们，可以利用这些人脑器官来研究以前无法研究的人脑发育过程。

这些作者还可以确定人类独特的基因表达模式和其他关键的发展因素。他们认为，由于这些大脑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用相对大量的少量干细胞进行培养，这些模型可能有助于加快对大脑健康和神经发育障碍的研究。

Arlotta说，这个领域已经花费了--并将继续花费--这么多时间来开发更好、更可靠和更容易培养的人类大脑器官模型。现在我们发现，我们已经达到了足够好的水平，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，以及是什么使它变得特殊。

评价模型

器官对于研究人类发育特别有用，因为研究其他动物的标准方法不能用于人类。然而，一些科学家此前质疑，用于培养脑器官的培养皿是否可以作为人脑复杂环境的现实体替身。事实上，器官样细胞和实验室培养的其他细胞一样，容易受到压力的影响，因此它们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证明了大脑器官如何能够再现人类大脑发育的许多特征。在他们的新研究中，Arlotta团队使用单细胞RNA测序分析单细胞的基因表达，发现相同的基因在这些大脑器官和先前研究的胎儿组织中活跃。在这些脑器官的许多细胞中，只有两个细胞显示出与代谢应激相关的基因活性增加，这可能反映了这些脑器官中心的缺氧。然而，这种效应并没有改变这些脑器官中的细胞类型，这表明这些模型的代谢状态并没有显著改变它们。

该论文的第一作者之一、阿洛塔实验室的计算科学家阿曼达凯达格尔(Amanda Kedaigle)表示，这是向前迈出的重要一步。异常的细胞代谢是在研究中使用类器官的主要障碍。

人类特有的

这些作者利用这些基因表达数据构建了这些人类大脑器官中细胞分化的生命树，展示了干细胞如何成为胶质细胞或神经元，然后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，他们发现了独特的基因表达模式和转录因子——基因活性的调节因子。他们发现了可能有助于确定人类细胞谱系如何建立的基因，并计划下一步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的细胞在成年人中比在小鼠中有更多的亚型，即使在这些早期阶段，它也变得多样化了。这些细胞在人类中比其他物种更丰富，在人类进化过程中有助于大脑皮层的扩张。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脑中产生和分化的。

安娜洛佩兹乌兹奎亚诺是这篇论文的第一作者，也是阿洛塔实验室的博士后研究员

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。 （ 100yiyao.com）

参考资料：

1. Ana Uzquiano et al. . 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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