腦類器官

1、人類腦類器官的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

人類的神經(jīng)發(fā)育主要發(fā)生在胚胎期、胎兒期和新生兒階段，并分化成人類神經(jīng)系統(tǒng)的各種神經(jīng)細(xì)胞類型。由于大腦的復(fù)雜性，人類胚胎和胎兒組織的缺乏，以及相關(guān)的倫理問(wèn)題，使得研究人類神經(jīng)發(fā)育疾病工作極具挑戰(zhàn)。為了更深入地了解人腦的發(fā)育和病變，我們需要建立人腦的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。但這一問(wèn)題直到2013年Lancaster等人建立了第一個(gè)模擬人腦3D結(jié)構(gòu)的人腦類器官，才取得重大突破^[1]。腦類器官培養(yǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，為突破活體腦初始階段的實(shí)驗(yàn)提供了一條非常光明的道路。

科學(xué)家們已經(jīng)成功培育出腦類器官，但未能成功研發(fā)出類似于人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。Cleber A,Trujillo 等人設(shè)計(jì)出一種更好的方法來(lái)培養(yǎng)人類干細(xì)胞，以誘導(dǎo)大腦外層神經(jīng)元的形成^[3]。他們發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)育的進(jìn)展，從人類干細(xì)胞生長(zhǎng)的腦類器官產(chǎn)生的腦電波變得更加復(fù)雜，并在微型大腦中形成了功能性神經(jīng)回路 。這些腦電波在人類嬰兒的大腦發(fā)育過(guò)程中具有某些共同特征。該團(tuán)隊(duì)旨在進(jìn)一步改進(jìn)類器官，并使用它們來(lái)了解與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的疾病，例如自閉癥、癲癇和精神分裂癥。In-Hyun Park 和他的同事找到了一種方法來(lái)突破人腦類器官中缺少血管網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題。他們通過(guò)將轉(zhuǎn)錄因子 ETV2 在人類皮質(zhì)類器官 (hCO) 中的異位表達(dá)，成功地在腦類器官中形成了復(fù)雜的功能性血管網(wǎng)絡(luò) ^[4]。他們還表明，血管化的 hCOs (VhCOs) 分化為更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并且神經(jīng)元更成熟。也是首次發(fā)現(xiàn)了與這些VhCOs結(jié)構(gòu)相似的血腦屏障（blood-brain barrier，BBB）。

盡管人腦類器官確實(shí)在體外部分產(chǎn)生了人腦結(jié)構(gòu)，但每一種都是獨(dú)一無(wú)二的，并且它們受到類器官間高變異性的困擾 ^[5,6]。這意味著它們不能輕易用于比較患病和正常腦組織之間的差異。這也引發(fā)了人們對(duì)人類大腦的發(fā)育過(guò)程是否可以在胚胎發(fā)生的背景下以與內(nèi)源性組織相當(dāng)?shù)目芍貜?fù)性程度發(fā)生的懷疑。Silvia Velasco等人使用干細(xì)胞的特定組合，以相同的發(fā)育順序和組織結(jié)構(gòu)連續(xù)生長(zhǎng)多個(gè)人腦類器官^[7]。這些培養(yǎng)出來(lái)的類器官具有相同的細(xì)胞組成和基本連接，能夠在體外培養(yǎng)環(huán)境中長(zhǎng)期存活，并分化成構(gòu)成大腦皮層的多種細(xì)胞類型，使得研究人員可以將這些類器官用于比較實(shí)驗(yàn)研究和藥物篩選。

圖1. 人類腦類器官

圖片來(lái)源：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcell.2020.590119/full

2、腦類器官的應(yīng)用

人類腦類器官可用于研究大腦發(fā)育過(guò)程和神經(jīng)系統(tǒng)疾病以及神經(jīng)再生功能。

SARS-CoV-2 主要攻擊呼吸系統(tǒng)，但一些感染者會(huì)出現(xiàn)一些與神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)的癥狀，包括頭痛、嗅覺(jué)喪失、嗅覺(jué)障礙、意識(shí)模糊、癲癇和腦病。然而，沒(méi)有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明 SARS-CoV-2 會(huì)感染人類中樞神經(jīng)系統(tǒng) (CNS)。為了在生理相關(guān)模型中探索 SARS-CoV-2 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的直接參與關(guān)系，張寶中和他的團(tuán)隊(duì)評(píng)估了 SARS-CoV-2 感染人類神經(jīng)祖細(xì)胞 (hNPCs)、神經(jīng)球和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞中 (iPSC) 衍生的腦類器官 ^[8]。結(jié)果表明，iPSC 誘導(dǎo)的 hNPCs 對(duì) SARS-CoV-2 感染呈現(xiàn)開(kāi)放狀態(tài)。在感染 SARS-CoV-2 的神經(jīng)球和腦類器官中檢測(cè)到廣泛的蛋白質(zhì)表達(dá)和傳染性病毒顆粒，表明 SARS-CoV-2 可以有效地感染人腦。這項(xiàng)研究提供了人類大腦類器官中直接感染 SARS-CoV-2 的第一個(gè)證據(jù)，這可以幫助專家了解 COVID-19 神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥的發(fā)病機(jī)制。

Jay Gopalakrishnan 的團(tuán)隊(duì)通過(guò)修改將 iPSC 轉(zhuǎn)化為神經(jīng)組織的培養(yǎng)條件，成功地在大腦類器官中誘導(dǎo)出雙邊對(duì)稱的視杯，并發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)可以感知光，同時(shí)向其他區(qū)域的大腦發(fā)送信號(hào) ^[9]。當(dāng)這些類器官生長(zhǎng)50-60天后，原來(lái)的“眼睛”發(fā)育成一兩個(gè)成熟的可見(jiàn)視泡結(jié)構(gòu)，稱為視泡腦類器官（OVB-organoids）。這些 OVB 類器官目前只能存活 60 天。這項(xiàng)研究首先在功能上將視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)整合到大腦類器官中，在體外系統(tǒng)中再現(xiàn)神經(jīng)纖維從視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)向外延伸以連接大腦的目標(biāo)區(qū)域。該系統(tǒng)可以幫助研究胚胎發(fā)育過(guò)程中的“腦-眼”相互作用，為視網(wǎng)膜疾病的探索和治療提供有力的工具，為無(wú)數(shù)視網(wǎng)膜疾病患者的治愈帶來(lái)希望。

人腦類器官是大腦的原始形式，但它不是真正的大腦，它只是為研究而制作的簡(jiǎn)化模型。到目前為止，還沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)人腦類器官具有意識(shí)，大腦類器官不能重述行為或指示特定行為模式涉及哪些細(xì)胞類型。類器官只能彌補(bǔ)動(dòng)物模型而不是替代它們。類器官可以做的是讓研究人員能夠更具體地進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，或者更快速地從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中獲得結(jié)果，并以更有針對(duì)性的方式快速傳遞給患者。通過(guò)類腦器官的研究，我們對(duì)遺傳學(xué)有了更深入的了解，腦類器官研究每向前邁進(jìn)一步，就有可能在更多疾病領(lǐng)域取得突破，將生理和病理關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)化為因果關(guān)系。

3、腦類疾病研究相關(guān)靶點(diǎn)

• ACE
• ANG
• ApoE
• CTSH
• CH25H
• CHRNB2
• EPHX2
• EGFR
• FUS
• GAB2
• HTT
• IGF-1
• ICA1L
• LRRK2
• LAT1
• MuSK
• mTOR
• OPTN
• OLIG2
• PRNP
• Presenilin-1 (PS-1)
• Presenilin-2 (PS-2)
• RTFDC1
• RAD51
• SARM1
• SOD1
• SOUL
• STMN2
• SNX32
• TARDBP
• TOM1L2
• TDP-43

參考文獻(xiàn)：

[1] Lancaster MA, Renner M, Martin CA, et al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly [J]. Nature. 2013;501(7467):373-379.

[2] Qian Yang, Yan Hong, et al. What Makes Organoids Good Models of Human Neurogenesis [J]? Front. Neurosci., 14 April 2022.

[3] Cleber A. Trujillo, Richard Gao, et al. Complex Oscillatory Waves Emerging from Cortical Organoids Model Early Human Brain Network Development [J]. Cell Stem Cell. 2019 Oct 3; 25(4): 558–569.e7.

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[5] Quadrato, G., Brown, J. & Arlotta, P. The promises and challenges of human brain organoids as models of neuropsychiatric disease [J]. Nat. Med. 22, 1220–1228 (2016).

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[9] Elke Gabriel, Walid Albanna, Jay Gopalakrishnan, et al. Human brain organoids assemble functionally integrated bilateral optic vesicles [J]. Cell Stem Cell 28 (10): 1740-1757.e8, 2021.