自然沉重:人鼠混合脑问世 ‘类脑器官’研究有新进展

来源：百医网2022-10-17 1:10

“我思故我在”这句话说明了大脑的重要性。随着全球老龄化，神经退行性疾病的发病率也在增加。

总之，我是这么认为的我在说明大脑的重要性。随着全球老龄化，神经退行性疾病的发病率也在增加。阿尔茨海默病、帕金森病和其他神经退行性疾病，就像癌症一样，已经成为街上流传的少数医学术语之一。

自现代科学诞生以来，对人脑的研究从未中断，始终处于生命科学的前沿。然而，脑样本的稀缺和珍贵限制了体外脑研究的发展。基于科技发展的脑器官为脑研究提供了新的契机。

10月12日，来自斯坦福大学的神经科学家帕斯卡(Pascal)带领他的团队在国际顶级期刊《自然》(Nature)上在线发表了题为《Maturation and circuit integration of transplanted human cortical organoids》关于脑器官的最新研究文章。在这项研究中，研究人员诱导来自人类的多能干细胞分化为大脑皮层器官，然后将其原位移植到新生无胸腺大鼠的体感皮层，构建了人和小鼠的混合大脑器官t-hCO。这类器官不仅能在大鼠体内正常生长，表现出正常的脑生理结构，而且参与脑控制行为的神经回路，为脑神经退行性疾病的研究和新药的开发提供了新的策略。

人脑的发育是一个复杂的过程，其中神经元增殖、分化、迁移、连接形成功能性神经回路的机制和过程仍有待研究。近年来，随着脑器官培养技术的发展，研究人员可以研究特定脑区的发育过程和功能。而现有的大脑器官不具备行为输出的神经回路，限制了其对神经系统疾病研究的发展。

来解决以上问题。在这项研究中，研究人员将体外诱导的完整三维脑器官hCO移植到出生后3-7天的无胸腺大鼠大脑S1区(负责处理触觉信息的初级感觉区称为体感区(S1区)，位于顶叶前方)，并在移植后2-3个月对大鼠大脑进行MRI成像，观察t-hCO的生长状态。结果显示，体内移植后t-hCO的体积在3个月内增加了9倍，而移植12个月后，移植动物的存活率为74%，没有出现明显的运动和记忆缺陷、胶质细胞增生或脑电图异常。

图1实验设计示意图。

随后，研究人员通过荧光鉴定了t-hCO中共表达PPP1R17(皮质祖细胞)、NeuN(神经元)、SOX9、GFAP(胶质细胞)或PDGFR(少突胶质细胞祖细胞)和内皮细胞的细胞的存在。表明hCO成功诱导分化。

图2大鼠皮层中的t-hCOs实例概述

此外，在t-hCOs诱导分化的第8个月，研究人员通过使用单细胞核转录组测序在单细胞水平上分析了t-hCOs中的细胞分组。单细胞测序的结果确定了t-hCOs的存在，包括深层和表面谷氨酸能神经元、循环祖细胞、少突胶质细胞和星形胶质细胞。此外，研究人员还发现了体外培养的hCOs和体内移植的t-hCOs之间的一些差异。

图3修拉整合后所有聚集的高质量t-hCO核的UMAP显像

研究人员进一步验证了上述单细胞测序结果的差异是否与体外hCO和体内hCO的形态学差异有关。结果t-hCO细胞的树突总长度是hCO细胞的6倍，神经元的树突棘密度明显高于hCO细胞。电生理测试显示，t-hCOs的膜电容增加了8倍，静息膜电位更加超极化(约20 mV)。电刺激导致t-hCO神经元的放电速率高于体外hCO神经元。这些电生理特征与t-hCO更大更复杂的形态学特征相一致。总的来说，在转录、形态和功能的分析中，与hCO神经元相比，hCO神经元表现出

更为成熟的分化特征。

Fig.4 Transplanted hCO RNA-seq comparisons to fetal and adult human cortex.

此外，研究人员还利用前述单细胞测序数据与人类胎儿和成人大脑皮层细胞以及其发育过程中的基因表达数据进行了对比分析。结果表明hCO和t-hCO 在分化 7-8 个月时的整体转录组成熟状态与体内发育时间大致匹配，并且相当于于胎儿晚期；而在形态学上，t-hCOs与人类 L2/3 神经元的相似度更高。

Fig.5 Advanced neuronal features in t-hCO reveal activity-dependent disease phenotypes in human cortical neurons

最后，研究人员验证了t-hCO能否用于精神疾病模型的构建和研究。提摩西综合症（TS）是一种遗传性自闭症相关疾病。研究人员从三名TS患者体和三名正常患者内分离干细胞并诱导分化了hCO，移植后结果表明TS t-hCO 与对照组相比具有异常的树突分支模式，但在类似分化阶段的体外 TS hCO 中则不存在。进一步地，研究人员证明了t-hCO 在解剖学上可以整合到大鼠大脑中，从而能够被宿主大鼠组织激活，并进一步在体内环境中被感觉刺激激活，参与神经环路驱动的行为，实现对大鼠活动的调节功能。

Fig.6 Transplanted hco receive sensory-related inputs.

大脑类器官技术是目前研究神经系统发育和疾病的有力模型，但是缺乏神经环路限制了其发展。在这项Nature的重磅研究中，研究人员耗时7年开发了t-hCO大脑类器官系统，并证明了其在体内可以参与大脑神经环路，从而调节大鼠神经元活动和行为反应。

与之前几项将大脑类器官移植进入动物脑中的研究相比，这项研究有几个突出优势：首先是将大脑类器官移植到出生后3-7天大鼠脑皮层中，有利于类器官在结构和功能的整合；其次是利用MRI长期监测在体大脑类器官的位置和生长情况，从而保证实验的稳定性和可靠性；最后，研究人员植入的是完整类器官而非单细胞悬液，对生物体的伤害较小，有利于皮层神经细胞单元的形成。

同时，没有十全十美的研究。这项研究也存在以下两点不足：一是由于物种和脑部时空差异，即使是早期类器官脑部植入也不能完全模拟人类脑部神经环路发育。二是移植类器官中影响神经环路连接的因素有哪些仍需要确定。这些在未来都需要努力克服的科学问题。

总而言之，这项研究为大脑类器官技术发展研究提供了思路，也为如提摩西综合症（TS）等神经疾病的体外研究、药物开发和治疗策略设计提供了新的模型。

参考文献：

1. Revah, O., Gore, F., Kelley, K.W. et al. Maturation and circuit integration of transplanted human cortical organoids. Nature 610, 319 326 (2022).

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