类器官研究进展之五——类脑（上）
2018/4/23 10:24:20 中科院再生医学

     导语

     如果有人问，类脑有什么用，可以代替人类思考吗？很遗憾的，目前还不能。然而，作为一个重要的技术平台，类脑能够让我们更好的了解人类的脑组织是如何形成的，或者人类的脑组织是怎么生病的。本期，我们将向您详细介绍类脑(brain organoid)——脑发育和疾病研究的新平台

    

     由于无法对人类的组织和器官直接开展研究，科学家们对脑(神经系统)的在体研究主要通过模式生物(生物学家通过对选定的生物物种进行科学研究，用于揭示某种具有普遍规律的生命现象，这种被选定的生物物种就是模式生物，如：线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠等)。

     科学家通过对模式动物使用药物或者基因改造的方法影响脑发育过程中的一些重要调控信号，从而确定某些特定的信号分子对脑发育的作用，或发现一些脑发育过程中的规律。在小鼠等模式动物中建立帕金森、亨廷顿舞蹈症、谱系自闭症等模型，在模式动物中研究发病机制和药物等治疗手段的有效性。

     然而，模式动物毕竟不是人类，即使是与人类最为接近的巨猿，其脑组织的结构和发育特征还是与人类有一定差别。再加上脑组织的发育是伴随着胎儿在子宫内的生长而发生的，对人类组织进行研究还存在着很大的伦理挑战。

     也许有人会说，绕过模式动物差别和伦理挑战两座大山，我们也可以在体外实验室的培养皿里研究脑的发育啊。在类器官技术尚未发展之前，实验室的培养皿中培养人类大脑，简直是无法想象的难题。因为传统的细胞培养技术，是细胞们躺在培养皿的表面，手拉着手肩挨着肩的一个扁平二维的培养体系，相对于人脑组织这样一个立体的多细胞的复杂组织来说，二维培养的方式是难于在体外重建脑组织的(但我们也决不能无视二维培养技术的价值，直到现在，科学家们仍在利用二维培养研究出了大量的重量级的生物发现)而利用类器官技术获得的类脑，它的重要特点就是具有三维的结构，由多种细胞组成，与人脑具有一定相似性的体外组织结构。可以说类脑在一定程度上解决了在培养皿中研究脑组织的技术难题。

    

     图1 人的多能干细胞形成的类(大)脑组织，可见到神经前体细胞和神经元¹

     类脑技术的发展

     类脑技术是由拟胚体技术发展而来的。拟胚体是通过让胚胎干细胞或多能干细胞脱离自我更新环境诱导其分化，胚胎干细胞或多能干细胞自发形成的一种多细胞的聚集体。研究发现，拟胚体的分化过程类似于胚胎在子宫内的早期分化。而科学家们发现拟胚体在matrigel胶包被的培养皿中，可以自发的向神经系统的细胞分化，并进一步的形成具有“顶部-底部”极性的神经上皮细胞和放射性胶质细胞。

     最初这种拟胚体自发向神经系统分化模拟神经系统发育的研究是在二维的培养体系下以一种假复层的形式出现的²。随后，发展为悬浮成球的三维培养形式³，2011年，一种人胚胎干细胞三维培养体系下通过诱导细胞的自我组织而形成的视杯样结构很好的模拟了视网膜的结构⁴。

     近几年中，类脑技术还在不断进步，三维的类脑组织可以模拟大脑的某些结构，并被称为“类大脑”，在这些类大脑中，可以实现对皮层结构的模拟，而皮层正是大脑实现信息处理的重要结构。除了自发分化的方法，利用外源信号分子的模拟发育早期命运决定信号诱导类(大)脑形成的方法中也不容忽视。虽然诱导类(大)脑的方法很多，但目标都是让获得的类脑更稳定、更成熟、结构的复杂度更高、更接近于人类的(大)脑。

    

     图2 通过体外培养形成的类脑组织，左图中白色箭头所示为可见液体流动的脑室结构，右图中黑色箭头所示为视网膜色素上皮结构¹

     类脑技术的应用

     图3 利用人多能干细胞形成的类脑组织中，如果抑制PTEN信号，可以促进类脑组织表面结构的延展并折叠形成褶皱结构。这样的作用在鼠多能细胞形成的类脑中并没有被发现(Li,Y. et al., Cell Stem Cell ,2017)

     图4 用红色和绿色荧光标记的人多能干细胞分别向背侧和腹侧皮层类脑诱导，当这两种类脑共同培养时发现，它们能够融合并看到其内部大量腹侧类脑细胞向背侧类脑迁移(Bagley,J.A. et al.,Nat Methods, 2017)

     未完待续……类脑(下)将继续为大家介绍类脑技术在脑疾病模拟中的应用，以及类脑技术的未来与挑战，敬请期待。

     参考文献：

     Lancaster, M.A. et al. Cerebralorganoids model human brain development and microcephaly. Nature 501, 373-9(2013).

     Ying, Q.L., Stavridis, M., Griffiths, D.,Li, M. & Smith, A. Conversion of embryonic stem cells into neuroectodermalprecursors in adherent monoculture. NatBiotechnol 21, 183-6 (2003).

     Watanabe, K. et al. Directeddifferentiation of telencephalic precursors from embryonic stem cells. Nat Neurosci 8, 288-96 (2005).

     Eiraku, M. et al. Self-organizing optic-cupmorphogenesis in three-dimensional culture. Nature472, 51-6 (2011).

     Bershteyn, M. et al. Human iPSC-DerivedCerebral Organoids Model Cellular Features of Lissencephaly and RevealProlonged Mitosis of Outer Radial Glia. CellStem Cell 20, 435-449 e4 (2017).

     Li, Y. et al. Induction of Expansion andFolding in Human Cerebral Organoids. CellStem Cell 20, 385-396 e3 (2017).

     Camp, J.G. et al. Human cerebral organoidsrecapitulate gene expression programs of fetal neocortex development. Proc Natl Acad Sci U S A 112, 15672-7 (2015).

     Bagley, J.A., Reumann, D., Bian, S.,Levi-Strauss, J. & Knoblich, J.A. Fused cerebral organoids modelinteractions between brain regions. NatMethods 14, 743-751 (2017).

     Luo, C. et al. Cerebral OrganoidsRecapitulate Epigenomic Signatures of the Human Fetal Brain. Cell Rep 17, 3369-3384 (2016).

     Kadoshima, T. et al. Self-organization ofaxial polarity, inside-out layer pattern, and species-specific progenitordynamics in human ES cell-derived neocortex. Proc Natl Acad Sci U S A 110,20284-9 (2013).

     Birey, F. et al. Assembly of functionallyintegrated human forebrain spheroids. Nature545, 54-59 (2017).

     类器官专栏：

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     编辑：李佳音

    

    

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