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Nature:揭示人大脑类器官为何缺乏正常人脑特有的细胞亚型和复杂回路

来源:本站原创 2020-02-08 08:12

2020年2月8日讯/生物谷BIOON/---作为在实验室中通常利用人类干细胞培育出的大脑样组织三维球体,大脑类器官被吹捧为有潜力让科学家们在受控的实验室条件下研究大脑回路的形成。关于大脑类器官的讨论非常热闹,一些科学家认为它们将使得快速开发针对破坏性的脑部疾病的治疗方法成为可能,而另一些人则警告说,大脑类器官可能很快会获得某种形式的意识。

不过,在一项新的研究中,来自美国加州大学旧金山分校等研究机构的研究人员提出了一个更为克制的观点:广泛使用的大脑类器官模型无法复制大脑发育和组织结构的基本特征,更不用说模拟复杂脑部疾病或正常认知所需的复杂回路。相关研究结果发表在2020年2月6日的Nature期刊上,论文标题为“Cell stress in cortical organoids impairs molecular subtype specification”。论文通讯作者为加州大学旧金山分校神经学教授Arnold Kriegstein博士。论文第一作者为加州大学旧金山分校Kriegstein实验室博士后研究员Aparna Bhaduri博士和Madeline Andrews博士。
图片来自Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-1962-0。

Kriegstein说,“一些人将大脑类器官称为‘培养皿中的大脑’,但是我们的数据表明,这是一个极大的夸张。我们发现大脑类器官没有产生正常人脑回路所特有的独特性细胞亚型或区域性回路结构。由于大多数人类脑部疾病对大脑中特定的细胞类型和回路具有高度特异性,因此这对利用大脑类器官精确模拟这些复杂疾病的努力提出了严峻的挑战。”

这项新的研究源于Kriegstein实验室正在进行的研究工作,即在正常人类脑组织样本的基础上,全面绘制协调大脑发育的基因表达程序。Kriegstein实验室旨在构建出人类大脑发育的遗传图谱,作为将正常大脑发育与自闭症等大脑发育疾病中发生的差错进行比较的宝贵资源。

但是,当这些研究人员将来自发育中大脑的数据与Kriegstein实验室的大脑类器官模型进行比较时,他们很快就发现正常大脑组织中观察到的精心组织的发育程序在Kriegstein实验室的大脑类器官中受到显著破坏。

大脑类器官未能产生关键细胞类型和组织结构

这些研究人员测量了从37个不同的大脑类器官(通过使用三种不同的实验室流程和四种不同的起始干细胞系产生)中提取出的235000多个细胞中的基因表达,并将这些基因表达模式与他们在来自正常发育的人类大脑在不同发育时间点的一系列大脑区域的大约18.9万个脑细胞中观察到的情形进行比较。

这项分析表明大脑类器官细胞没有正常地分化为大脑中独特的细胞类型,而是似乎经历了身份危机:同时表达通常在非常不同类型的细胞中发现的基因。起初,这些大脑类器官形成了类似于发育中大脑的某些特征的细胞“玫瑰花状结构”,但是它们很快就溶入了混杂在一起的细胞大杂烩中。Kriegstein说,“我们能够鉴定出主要的细胞类型,但是缺乏在神经回路的正常功能中起关键作用的细胞亚型的正常多样性。”

为了确保这些结果扩展到在Kriegstein实验室之外使用的制备大脑类器官的其他常见方法,这些研究人员比较了科学文献中发表的八种不同类器官制备方法的单细胞基因表达数据(总共超过276000个细胞)与他们在发育中的大脑内构建出的正常基因表达图谱。在每种情形下,这些已发表的类器官显示出与Kriegstein实验室在他们自身的大脑类器官模型中观察到的相同结果:它们缺乏适当产生独特细胞类型的能力。

Andrews说,“大脑将不同类型的细胞连接到高度结构化的区域独特性的回路中的能力不仅对正常的大脑功能和认知至关重要,而且正是这些高度特异性的回路以不同的方式在自闭症、精神分裂症以及精神疾病和神经疾病等脑部疾病中发生差错。”

Bhaduri补充说,“在我们可以使用大脑类器官来研究这些疾病并寻找可能的治愈方法之前,我们需要确保它们实际上是在模拟受影响的大脑回路。”

减少细胞应激可以改善大脑类器官模型

除了混乱的发育程序之外,大脑类器官模型均表达异常高水平的细胞“应激”基因,从而控制细胞对有害环境条件(如缺氧)的反应。这些研究人员假设这种加剧的细胞应激可能是由在实验室中培养大脑类器官的方法所引起的,并且可能阻止这些类器官产生适当的神经细胞类型和区域组织结构。

为了验证这一假设,这些研究人员从产生的大脑类器官中提取出细胞,并将它们植入小鼠的大脑,以消除因在实验室培养皿中培养而引起的应激因素。在这种更加自然的环境中,这些大脑类器官细胞的应激水平迅速下降至正常水平,并且正常的发育程序开始重新发挥作用。相反,当他们获取早期发育中的神经组织并尝试让它与他们的实验室大脑类器官一起培养时,应激基因变得更加活跃,神经组织中的年轻神经元也出现了与实验室大脑类器官相同的身份危机。

这些结果提示着神经科学家想要在大脑类器官中模拟复杂的大脑组织的努力将需要重新思考如何在实验室中培养大脑类器官,以尝试降低细胞应激水平。

Andrews说,“不同的研究团队已经以多种不同的方式优化了大脑类器官的培养方式,因此,我们在来自不同实验室的类器官中看到这些问题的事实表明,要改善类器官的产生方式很可能需要进行很大的改进。这绝非易事,但我希望这些结果以及Bhaduri在正常发育的大脑中的遗传程序的独特数据集能够为这个领域指明正确的方向。”

这些研究人员强调大脑类器官在许多不需要精确模拟特定大脑回路或其功能障碍的研究中仍然是有用的工具,比如Bhaduri及其同事们在最近发表的一篇论文中使用大脑类器官作为一种在实验室培养皿中研究胶质母细胞瘤侵袭性扩散的方法(Cell Stem Cell, 2020, doi:10.1016/j.stem.2019.11.015)。Bhaduri说:“但是,这项新的研究非常清楚地表明在实验室里,大脑类器官远不能真正地复制发育中的大脑。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Aparna Bhaduri et al. Cell stress in cortical organoids impairs molecular subtype specification. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-1962-0.

2.Not 'brains in a dish': Cerebral organoids flunk comparison to developing nervous system
https://medicalxpress.com/news/2020-01-brains-dish-cerebral-organoids-flunk.html
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