Nature：将人类皮层类器官移植到大鼠大脑中来研究大脑连接性和功能性

在一项新的研究中，来自美国斯坦福大学的研究人员开发出一种研究方法，可以更详细地探究与一些神经疾病和精神疾病相关的大脑过程。这是通过在体外培养人类皮层类器官（cortical organoids）并将它们移植到发育中的啮齿动物大脑内以观察它们随着时间的推移如何整合和发挥功能来实现的。相关研究结果发表在2022年10月13日的Nature期刊上，论文标题为“Maturation and circuit integration of transplanted human cortical organoids”。

美国国立精神卫生研究所（NIMH）的David Panchision博士说，“这项新的研究代表着科学家们在研究复杂的人类大脑疾病的细胞和回路基础的能力方面取得了重大进展。它允许类器官在一种更具有生物相关性的环境中建立连接，并以它们在培养皿中无法做到的方式发挥作用。”

在这项新的研究中，斯坦福大学的Sergiu Pasca博士及其同事们证实，利用人类干细胞培养出的皮层类器官可以移植并整合到发育中的大鼠大脑内，以研究某些发育和功能过程。他们的研究结果表明，移植的皮层类器官可能为研究与疾病产生相关的过程提供一种强大的工具。

科学家们有时使用人类皮层类器官---人类干细胞的三维培养物，可以反映典型大脑中的一些发育过程---作为研究人类大脑某些方面如何发育和发挥功能的模型。然而，皮层类器官缺乏典型人类大脑中的连接性，限制了它们在理解复杂大脑过程中的作用。人们一直试图通过将人类神经元移植到成年啮齿动物大脑中来克服其中的一些限制。虽然这些移植的神经元与啮齿动物的脑细胞连接在一起，但由于成年大鼠大脑的发育限制，它们并没有完全整合在一起。

在这项新的研究中，这些作者通过将完整的人类皮层类器官移植到发育中的大鼠大脑内，推进了大脑类器官的研究使用。这项技术构建了一个可以被检查和操纵的人类组织单元。他们使用Pasca实验室之前开创的方法：利用人类诱导性多能干细胞---成体皮肤细胞经过重编程后进入一种未成熟的类似干细胞的状态---构建出人类皮层类器官。他们随后将所构建的人类皮层类器官植入大鼠初级体感皮层，即大脑中参与处理感觉的一部分。

这些作者没有在接受人类皮层类器官移植的大鼠身上检测到任何运动或记忆异常或大脑活动异常的情况。来自大鼠大脑的血管成功地支持了植入的人类皮层类器官随着时间的推移而长出的组织。

为了了解人类皮层类器官能在多大程度上整合到大鼠的初级体感皮层，这些作者用一种作为功能性连接的一种指示剂可在脑细胞中传播的示踪性病毒感染了皮层类器官。在将携带示踪性病毒的人类皮层类器官移植到大鼠的初级体感皮层后，他们在诸如腹基核（ventrobasal nucleus）和体感皮层之类的多个大脑区域检测到了这种病毒。此外，他们还观察到丘脑和移植区域之间建立了新连接。这些连接可通过电刺激和刺激大鼠的胡须激活，表明它们正在接受有意义的感觉输入。此外，他们能够激活移植的人类皮层类器官中的人类神经元，以调节大鼠的奖励寻求行为。这些发现表明，移植的人类皮层类器官与大鼠中特定的大脑通路进行了功能整合。

在结构和功能上，经过七到八个月的生长后，移植的人类皮层类器官比在体外细胞培养中维持的人类皮层类器官更类似于人类大脑组织的神经元。移植的人类皮层类器官反映了人类皮层神经元的结构和功能特征，这一事实使得这些作者想知道他们是否可以使用移植的人类皮层类器官来探究人类疾病过程的各个方面。

Pasca博士说，“这个平台的前景不仅在于确定哪些分子过程是活体回路中人类神经元复杂成熟的基础，并利用它来改进传统的体外模型，而且还在于提供人类神经元的行为解读。”

为了研究这一点，这些作者利用来自三名患有与自闭症和癫痫有关的罕见遗传性疾病（称为提摩西综合征）的参与者和三名没有任何已知疾病的参与者的细胞构建出人类皮层类器官，并将它们植入大鼠大脑。这两种类型的人类皮层类器官都整合到了大鼠的体感皮层，但来自提摩西综合征（Timothy syndrome）患者的人类皮层类器官显示出结构上的差异。利用来自提摩西综合征患者的细胞中构建的人类皮层类器官在体外细胞培养过程中并没有出现这些结构上的差异。

人类皮层类器官移植在发育中的大鼠皮层内。图片来自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05277-w。

Pasca博士说，“这些实验表明，这种新颖的方法可以捕捉到我们目前的体外模型所能检测的过程。这很重要，因为导致精神疾病的许多变化很可能是回路层面上的微妙差异。”

在早前的一项新的研究（Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05279-8，详情参见生物谷新闻报道：Nature：利用人类大脑类器官绘制人类大脑发育图谱）中，瑞士苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系的Barbara Treutlein教授及其团队采取了一种新的方法来研究人类大脑的发育：他们利用所谓的多能性干细胞培育出毫米大小的具有复杂组织结构的三维大脑类器官。他们在不同的时间点和非常详细地研究了人类大脑类器官内的数千个细胞。

Treutlein团队系统性地确定那些对大脑器官不同区域的神经元发育有重大影响的基因开关。在CRISPR-Cas9系统的帮助下，这些作者有选择地关闭了每个细胞中的一个基因，在整个大脑类器官中同时关闭了大约二十多个基因。这使他们能够发现各自的基因在大脑类器官的发育中发挥了什么作用。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Omer Revah et al. Maturation and circuit integration of transplanted human cortical organoids. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05277-w.

2. Jonas Simon Fleck et al. Inferring and perturbing cell fate regulomes in human brain organoids. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05279-8.