Cell | Hans Clevers领导课题组首次利用人类胎儿脑组织培育出了大脑类器官

科学家们利用人类胎儿脑组织开发出可在体外自我组装的三维微型器官。这些在实验室培育的类器官为研究大脑如何发育开辟了一条全新的途径。它们还为研究与大脑发育有关的疾病（包括脑肿瘤）的产生和治疗提供了宝贵的手段。

科学家们在实验室中使用不同的方法来构建模拟健康组织和疾病的生物学模型。这些方法包括细胞系、实验动物以及近年来出现的三维微型器官。这些所谓的类器官具有一定的特征和复杂程度，使得人们能够在实验室中密切模拟器官的功能。

类器官可以直接由组织细胞形成。人们还可以“引导”在胚胎或某些成体组织中发现的干细胞发育成他们要研究的器官。在此之前，大脑类器官是通过诱导胚胎干细胞或多能性干细胞生长成代表大脑不同区域的结构，从而在实验室中培育出来的。他们使用特定的分子混合物，试图模拟大脑的自然发育---这种分子混合物的“配方”都需要大量的研究才能开发出来。

如今，在一项新的研究中，Hans Clevers、Benedetta Artegiani 等研究人员直接利用人类胎儿脑组织培育出了大脑类器官。相关研究结果于2024年1月8日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Human fetal brain self-organizes into long-term expanding organoids”。这些作者吃惊地发现，使用小块胎儿脑组织而不是单个细胞对培育微型大脑至关重要。要培育出肠道等其他微型器官，科学家们通常会将原始组织分解成单个细胞。

不过，在使用小块胎儿脑组织时，这些作者发现这些小块胎儿脑组织可以自组装成大脑类器官。这些大脑类器官的大小与米粒差不多。它们具有复杂的三维结构，包含多种不同类型的脑细胞。重要的是，这些大脑类器官中含有许多所谓的外侧放射状胶质细胞（outer radial glia）---一种在人类和我们的进化祖先中发现的细胞类型。这凸显了这些大脑类器官与人类大脑的密切相似性以及在研究中的用途。

这些小块胎儿脑组织还产生了构成胞外基质的蛋白---胞外基质是细胞周围的一种“支架”。这些作者认为，这些蛋白可能是这些小块胎儿脑组织能够自我组装成三维大脑结构的原因。这些大脑类器官中胞外基质的存在将有助于进一步研究脑细胞的环境，以及当环境出现问题时会发生什么。

图片来自Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2023.12.012。

这些作者发现这些由胎儿脑组织衍生的大脑类器官保持了大脑特定区域的多种特征。它们对已知在大脑发育中发挥重要作用的信号分子做出了反应。这一发现表明这类新的大脑类器官可能在解开指导大脑发育的复杂分子网络方面发挥重要作用。

鉴于这些由胎儿脑组织衍生的大脑类器官能够快速扩张，这些作者接下来研究了它们在脑癌建模方面的潜力。他们利用基因编辑技术CRISPR-Cas9，在这些大脑类器官的少量细胞中引入了众所周知的癌基因TP53的缺陷。三个月后，带有TP53缺陷的细胞完全取代了这些大脑类器官中的健康细胞，这意味着它们获得了生长优势，这是癌细胞的典型特征。

随后，他们利用CRISPR-Cas9技术关闭了与一类称为胶质母细胞瘤的脑肿瘤相关的三个基因：TP53、PTEN和NF1。他们还利用携带这些发生突变的大脑类器官观察它们对现有抗癌药物的反应。这些实验显示了它们在将某些药物与特定的基因突变联系起来的癌症药物研究方面的潜力。

这些由胎儿脑组织衍生的大脑类器官在培养皿中持续生长了六个多月。重要的是，这些作者能够让它们发生增殖，从而从一种组织样本中培育出许多类似的大脑类器官。

带有胶质母细胞瘤基因变化的微型肿瘤也能够增殖，并保持相同的突变组合。这一特点意味着科学家们可以用这些由胎儿脑组织衍生的大脑类器官进行重复实验，从而提高研究结果的可靠性。

接下来，这些作者将进一步探索他们新开发的由胎儿脑组织衍生的大脑类器官的潜力。他们还计划继续与生物伦理学家合作，以指导这些新的大脑类器官的未来开发和应用。

Artegiani说，“由胎儿脑组织衍生的大脑类器官是研究人类大脑发育的一种宝贵的新工具。我们如今可以更轻松地研究发育中的大脑是如何扩张的，并观察不同细胞类型及其环境的作用。我们新的胎儿脑组织衍生的大脑类器官模型让我们能够更好地了解发育中的大脑如何调节细胞的身份。它还有助于了解这一过程中的错误如何导致小头畸形等神经发育疾病，以及其他可能源于发育失常的疾病，包括儿童脑癌。”

Hendriks博士说，“这些新的由胎儿脑组织衍生的大脑类器官可以提供新的见解，让我们了解是什么塑造了大脑的不同区域，是什么创造了细胞的多样性。我们的大脑类器官是对大脑类器官领域的重要补充，可以补充现有的多能干细胞衍生性类器官。我们希望从这两种模型中学习，以破解人类大脑的复杂性。能够继续培养和使用来自胎儿组织的大脑类器官，也意味着我们可以尽可能多地从这种珍贵的材料中学习。我们很高兴能探索如何利用这些新型大脑类器官来发现人类大脑的新知识。”

Clevers是类器官研究的先驱。他说，“通过我们的研究，我们将为大脑类器官和大脑研究领域做出重要贡献。自从我们在2011年首次开发出人体肠道类器官以来，我们很高兴地看到这项技术已经真正起飞。此后，我们开发出了几乎适用于人体所有组织，包括健康组织和病变组织，比如越来越多的儿童肿瘤的类器官。直到现在，我们还能利用大多数人体器官衍生出类器官，但却不能利用人体大脑衍生出类器官，如今我们也能跨过这道坎，真是令人兴奋。”

参考资料：

Delilah Hendriks et al. Human fetal brain self-organizes into long-term expanding organoids. Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2023.12.012.

Novel tissue-derived brain organoids could revolutionize brain research
https://medicalxpress.com/news/2024-01-tissue-derived-brain-organoids-revolutionize.html

本论文的共同通讯作者美国国家科学院院士 Hans Clevers 教授将隆重出席3月7-8日在上海召开的“2024年（第四届）类器官大会——类器官与新药研发会议暨ISoOR 2024国际类器官高峰论坛”，与参会观众现场交流分享类器官最新研究进展！