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作者：Daisy

加州大學(xué)洛杉磯分校再生醫(yī)學(xué)和干細(xì)胞研究中心的Eli和Edythe的研究人員已經(jīng)開發(fā)了大腦類器官,，由人類干細(xì)胞培養(yǎng)出來的3D腦結(jié)構(gòu)，顯示出類似于在活體人腦中發(fā)現(xiàn)的有組織的活動波,。然后,，在研究從神經(jīng)系統(tǒng)疾病Rett綜合征患者的干細(xì)胞中培養(yǎng)的類器官時，科學(xué)家們能夠觀察到類似癲癇發(fā)作的電活動模式,，這是該疾病的一個特征,。

研究人員將這項研究成果發(fā)布在了《Nature Neuroscience》雜志上，發(fā)表了一篇題為“Identification of neural oscillations and epileptiform changes in human brain organoids”的文章,。它拓寬了可以在類器官中研究大腦狀況的范圍,，并進一步說明了這些基于人類細(xì)胞的模型在研究疾病的根本原因和測試潛在療法方面的價值。

類器官,，即是指它類似于組織器官,。其實，它本身是一種基于3D體外細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)建立的,，與體內(nèi)的來源組織或器官高度相似的一種模型,。這些3D體外培養(yǎng)系統(tǒng)可復(fù)制出已分化組織的復(fù)雜空間形態(tài)，并能夠表現(xiàn)出細(xì)胞與細(xì)胞之間,、細(xì)胞與其周圍基質(zhì)之間的相互作用和空間位置形態(tài),。而其本身又能做到與體內(nèi)分化的組織器官具有相似的生理反應(yīng)，與來源組織具有極高的相似性,。

與傳統(tǒng)2D細(xì)胞培養(yǎng)模式相比,，3D培養(yǎng)的類器官包含多種細(xì)胞類型，能夠形成具有功能的“微器官”,，能更好地用于模擬器官組織的發(fā)生過程及生理病理狀態(tài),，因而在基礎(chǔ)研究以及臨床診療方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖片來源：Nature

Broad干細(xì)胞研究中心成員,、該研究的資深作者Bennett Novitch表示：“這項研究表明,，我們可以制造出類似真實人腦組織的類器官，并可用于精確復(fù)制人腦功能和疾病的某些特征,?！?/p>

在過去的十年中，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如何從人體中提取細(xì)胞,，如皮膚細(xì)胞或血細(xì)胞,，在實驗室中誘導(dǎo)它們成為誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（簡稱iPS細(xì)胞)，然后引導(dǎo)這些細(xì)胞形成身體中發(fā)現(xiàn)的任何類型的細(xì)胞,，包括神經(jīng)元,。科學(xué)家現(xiàn)在甚至可以鼓勵iPS細(xì)胞聚集成三維形式,，創(chuàng)造出更像微型人體器官的類器官,，而不是平皿中的細(xì)胞。

這一進步使科學(xué)家們能夠研究一個人的細(xì)胞如何不同于標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)胞,，并進行活體人類身上無法操縱腎細(xì)胞基因的實驗,，或者使用肺類器官來研究新冠病毒如何感染和損害肺部。

然而,，對于人腦來說,，創(chuàng)造一個模仿器官結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的類器官尤其具有挑戰(zhàn)性。讓細(xì)胞像在人腦中一樣組織起來只是戰(zhàn)斗的一部分,。這些細(xì)胞還必須相互連接,，并像人腦中的神經(jīng)元一樣發(fā)揮作用。健康的人腦細(xì)胞不僅會響應(yīng)刺激而在整個大腦中發(fā)送電信號,，而且還具有稱為神經(jīng)振蕩或腦波的協(xié)調(diào)活動波,。例如，不同的腦電波模式與特定的學(xué)習(xí)或睡眠活動有關(guān),，這些模式的異?？赡苁羌膊〉嫩E象。

Broad干細(xì)胞研究中心成員,、這篇論文的第一作者Ranmal Samarasinghe博士說：“對于許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病,，你可能會有一些糟糕的癥狀，但大腦在生理上看起來很好,。因此,，為了能夠找到這些疾病的答案，我們不僅可以用類器官來模擬大腦的結(jié)構(gòu),，還可以模擬大腦的功能,，這一點非常重要。”

加州大學(xué)洛杉磯分校大衛(wèi)·格芬醫(yī)學(xué)院格施溫德實驗室博士亞倫·戈登說：“我們證實這些3D大腦類器官遵循著一個內(nèi)部時鐘,，它在實驗室環(huán)境中的發(fā)育進展與生物體內(nèi)部發(fā)育過程是平行的,，這是一項非常了不起的發(fā)現(xiàn)，在細(xì)胞培育過程中,，生長了大約280天就達到成熟,，然后它們能夠模仿嬰兒大腦的多個生理特征，其中包括神經(jīng)遞質(zhì)信號的生理變化,?！?/p>

在從健康人的皮膚細(xì)胞中提取出一批腦類器官后，Novitch,，Samarasinghe以及和他在加州大學(xué)洛杉磯分校智力和發(fā)展障礙研究中心的同事們使用兩種不同的方法來研究它們內(nèi)部的電活動模式——一種是在每個類器官中插入探針來測量大腦活動,，另一種是在顯微鏡下觀察腦細(xì)胞的活動。他們收集的一些信息與科學(xué)家通常在大腦掃描中發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)類似,，這些數(shù)據(jù)被稱為腦電圖（簡稱EEGs）,。分析顯示了多種神經(jīng)振蕩。

Novitch,，同時兼任加州大學(xué)洛杉磯分校的Ethel Scheibel神經(jīng)科學(xué)教授,，他說：“我沒有預(yù)料到我們將看到的振蕩模式的范圍。通過學(xué)習(xí)如何控制類器官表現(xiàn)出的振蕩模式,，我們最終能夠模擬不同的大腦狀態(tài),。”

接下來,，研究小組利用患有Rett綜合征（一種與學(xué)習(xí)延遲,、重復(fù)運動和癲癇發(fā)作相關(guān)的遺傳性疾病）的人的細(xì)胞研制出了大腦類器官,。雖然類器官在結(jié)構(gòu)和組織上似乎正常,，但它們的神經(jīng)振蕩是異常的：它們?nèi)狈Ψ荝ett類器官中所顯示的各種振蕩。相反,，Rett類器官具有快速,、無序的活動，就像臨床醫(yī)生在Rett綜合征和相關(guān)疾病患者的腦電圖中看到的那樣,。

當(dāng)Novitch和Samarasinghe用一種名為Pifithrin alpha的實驗藥物治療Rett類器官時,，癲癇發(fā)作相關(guān)的活動模式消失，類器官的神經(jīng)活動變得更加正常,。

類器官在研究大腦疾病方面的應(yīng)用仍將受到限制,，因為類器官不能復(fù)制人腦的各個方面，例如,，它們?nèi)狈ρ?，而且它們與早期發(fā)育的大腦相似，而不是與成人大腦相似。但加州大學(xué)洛杉磯分校的研究表明,，盡管如此,，它們?nèi)匀豢梢杂脕頊y試各種各樣的大腦功能、疾病和藥物,，比如用于臨床前癌癥的治療檢測及藥物藥效和毒性測試,。而這些都無法在皮氏培養(yǎng)皿中用腦細(xì)胞進行研究,。

加州大學(xué)洛杉磯分校大衛(wèi)·格芬醫(yī)學(xué)院人類遺傳學(xué)特聘教授杰斯溫德·麥克唐納說：“這項研究非常新穎奇特,，到目前為止，沒有人在這么長的時間里培育和表征這些類器官,，通常情況下也沒有人在實驗室里分析人類大腦發(fā)育過程?，F(xiàn)已證實這些類器官能發(fā)育成熟，并復(fù)制人類復(fù)雜器官正常發(fā)育的許多方面,，它將成為實驗室培養(yǎng)皿中研究人類疾病的最佳模型,。”

 Samarasinghe同時也是神經(jīng)學(xué)助理教授,，他說：“這是在大腦類器官中進行藥物試驗的第一個具體實例,。我們希望它能成為更好地理解人腦生物學(xué)和腦部疾病的墊腳石?！?/p>

參考資料：

https:///news/2021-08-scientists-brain-organoids-complex-neural.html

注：本文旨在介紹醫(yī)學(xué)研究進展,，不能作為治療方案參考。如需獲得健康指導(dǎo),，請至正規(guī)醫(yī)院就診,。