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人造三维大脑类器官成熟度已接近婴儿大脑
2022-09-20

人类干细胞衍生的类器官有可能彻底改变医学操作,它让研究人员对包括大脑在内的复杂器官如何发育以及对疾病做出反应有了前所未有的认知分析。

研究人员在实验室对培养皿培养20个月的类器官进行了广泛基因分析,证实这些3D类器官生长遵循着内部时钟,通过全面评估细胞体外成熟过程,发现它们与人类发育时间轴同步并引导不断成熟。

目前,美国加州大学洛杉矶分校和斯坦福大学研究人员进行的一项最新研究表明,由人类干细胞衍生的三维大脑类器官能以人类大脑发育相似的方式接近成熟,接近于婴儿大脑。

加州大学洛杉矶分校丹尼尔·格施温德博士和斯坦福大学塞尔久·帕斯卡在实验室对培养皿培养20个月的类器官进行了广泛基因分析,证实这些3D类器官生长遵循着内部时钟,通过全面评估细胞体外成熟过程,发现它们与人类发育时间轴同步并引导不断成熟。据悉,他们利用特定生长因子培养人类干细胞,最终培育出包括神经元、大脑皮层等其他细胞的类器官。

加州大学洛杉矶分校大卫·格芬医学院人类遗传学特聘教授杰斯温德·麦克唐纳说:“这项研究非常新颖奇特,到目前为止,没有人在这么长的时间里培育和表征这些类器官,通常情况下也没有人在实验室里分析人类大脑发育过程,该研究对大脑研究领域具有重要的推动作用,我们现已证实这些类器官能发育成熟,并复制人类复杂器官正常发育的许多方面,它将成为实验室培养皿中研究人类疾病的最佳模型。”

人类大脑类器官是利用诱导多能干细胞(简称iPS细胞)培育而成的,诱导多能干细胞源自皮肤或者血液细胞,它们将被重新编程类似胚胎干细胞的状态,允许科学家制造任何类型的细胞。

之后这些诱导多能干细胞被暴露在一种特殊的化学混合物中,该混合物会影响诱导多能干细胞,从而生成大脑特定区域细胞,在适当的时间和条件下,细胞自组织形成3D结构,能够复制人类大脑发育的相关特征。

人类干细胞衍生的类器官有可能彻底改变医学操作,它让研究人员对包括大脑在内的复杂器官如何发育以及对疾病做出反应有了前所未有的认知分析。

多年以来,研究人员一直在培育人类大脑类器官,用于研究人类神经和神经发育障碍,例如:癫痫、自闭症和精神分裂症等。

普遍观点认为,构成大脑类器官的细胞仍停留在类似胎儿发育的细胞状态,该研究模型的实用性可能受到发展限制,这项最新研究表明,这些细胞很可能会发育成熟,从而使科学家更好地研究成年人疾病,例如:精神分裂症或者痴呆症。

格施温德强调称,通过这项最新研究表现出科学家对人类疾病的干细胞模型非常感兴趣,该项工作代表了一个重要的里程碑,它显示了人类大脑发育的哪些方面具有最高保真度,哪些特定基因的体外表现较好,以及什么时候进行建模,同样重要的是,我们提供了一个基于公正的基因分析框架,来评估体外模型在体内发育和功能模型中的效果。

同时,格施温德还进一步将神经发育和神经退行性疾病风险基因绘制到体外基因表达轨迹上,提供了一种叫做GECO的资源和网络工具(“皮质类器官中的基因表达”,简称GECO)来指导疾病建模,可使研究人员观察自己感兴趣的基因,并能测量体外和体内大脑之间的保真度。

该研究报告第一作者、加州大学洛杉矶分校大卫·格芬医学院格施温德实验室博士亚伦·戈登说:“我们证实这些3D大脑类器官遵循着一个内部时钟,它在实验室环境中的发育进展与生物体内部发育过程是平行的,这是一项非常了不起的发现,在细胞培育过程中,生长了大约280天就达到成熟,然后它们能够模仿婴儿大脑的多个生理特征,其中包括神经递质信号的生理变化。”