與嬰兒大腦發(fā)育方式同步的“迷你大腦”培育成功

    近日，發(fā)表在《Nature Neuroscience》上的一項(xiàng)新研究中，來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）和斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，由人類干細(xì)胞衍生的三維“迷你大腦”類器官的成熟方式與人類大腦的發(fā)育方式驚人地相似。

    UCLA的Daniel Geschwind博士和斯坦福大學(xué)的Sergiu Pasca博士對(duì)在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中培養(yǎng)了20個(gè)月的類器官進(jìn)行了廣泛的遺傳分析。他們發(fā)現(xiàn)，這些三維結(jié)構(gòu)器官遵循一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘，該時(shí)鐘引導(dǎo)它們的成熟與人類發(fā)育的時(shí)間同步。

    Geschwind博士說(shuō)：“這是一個(gè)新穎的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榈侥壳盀橹梗€沒(méi)有人能在這么長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)培育出這些類器官，也沒(méi)有人證明它們能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中大部分重現(xiàn)人腦的發(fā)育過(guò)程，這些研究結(jié)果對(duì)該領(lǐng)域是一個(gè)重要的推動(dòng)。我們已經(jīng)證明這些類器官可以成熟并復(fù)制正常人類發(fā)育的許多方面，這使它們成為在培養(yǎng)皿中研究人類疾病的良好模型。”

    人腦類器官是使用誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（也稱為iPS細(xì)胞）創(chuàng)建的，該干細(xì)胞源自皮膚或血細(xì)胞，這些細(xì)胞或血細(xì)胞被重新編程回胚胎干細(xì)胞樣狀態(tài)，從而使科學(xué)家可以創(chuàng)建任何細(xì)胞類型。然后，這些iPS細(xì)胞被暴露在一種特殊的化學(xué)混合物中，這種化學(xué)混合物會(huì)影響它們，從而生成大腦特定區(qū)域的細(xì)胞。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間和條件下，細(xì)胞會(huì)自組織以創(chuàng)造出三維結(jié)構(gòu)，并“忠實(shí)”地復(fù)制人類大腦發(fā)育的多個(gè)方面。

    人類干細(xì)胞衍生的類器官有可能徹底改變醫(yī)學(xué)實(shí)踐，因?yàn)樗屟芯咳藛T對(duì)包括大腦在內(nèi)的復(fù)雜器官是如何發(fā)育的以及人類對(duì)疾病反應(yīng)有了前所未有的認(rèn)識(shí)。

    多年來(lái)，研究人員一直在培育人腦類器官，以研究人類神經(jīng)和神經(jīng)發(fā)育障礙導(dǎo)致的疾病，如癲癇、自閉癥和精神分裂癥。由于普遍觀點(diǎn)認(rèn)為，構(gòu)成這些類器官的細(xì)胞仍停留在與胎兒發(fā)育中所見(jiàn)細(xì)胞相似的發(fā)育狀態(tài)，因此這些模型的實(shí)用性受到了阻礙。

    這項(xiàng)新研究表明，將這些細(xì)胞培養(yǎng)到成熟狀態(tài)是有可能的。這將使科學(xué)家可以更好地研究精神分裂癥或癡呆癥等成人疾病。Geschwind補(bǔ)充說(shuō)：“這項(xiàng)工作代表了一個(gè)重要的里程碑，它顯示了人類大腦發(fā)育哪些方面以最高的保真度建模，哪些特定的基因在體外表現(xiàn)良好，以及什么時(shí)候建模最好。同樣重要的是，我們提供了一個(gè)基于無(wú)偏倚基因組分析的框架評(píng)估體外模型模擬體內(nèi)發(fā)育和功能的能力。”

    該研究第一作者Geschwind實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Aaron Gordon說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)，這些三維腦類器官遵循一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘，這個(gè)時(shí)鐘在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的進(jìn)展與人體內(nèi)發(fā)生的事情是同步的。這是一個(gè)了不起的發(fā)現(xiàn)，我們證明了它們?cè)谂囵B(yǎng)后大約280天達(dá)到產(chǎn)后成熟，然后開(kāi)始模擬嬰兒大腦的各個(gè)方面，包括神經(jīng)遞質(zhì)信號(hào)的已知生理變化。”

    此外，該團(tuán)隊(duì)還提供了一種名為GECO的工具，可以讓研究人員瀏覽他們感興趣的基因，從而測(cè)量體外和體內(nèi)大腦之間的保真度。