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科学家们发现 3D迷你大脑为人类的发展和潜在的疾病治疗提供了新的视角

2019-01-10 17:35:08 • 来源：

当你制作模型的时候，不管是船还是车，你都希望它们尽可能的真实。这种质量对于构建模型器官甚至更为重要，因为从这些模型发展而来的疾病治疗必须对人类安全有效。如今，索尔克研究所(Salk Institute)的科学家们研究了一种从人类干细胞中培育出来的3D“迷你大脑”，发现它在结构和功能上都比广泛使用的2D模型更接近真实的大脑。这一发现发表在2016年12月20日的《细胞报告》(Cell Reports)上，表明新模型可以更好地帮助科学家了解大脑发育以及阿尔茨海默氏症或精神分裂症等神经系统疾病。

科学家们发现 3D迷你大脑为人类的发展和潜在的疾病治疗提供了新的视角

“能够将人类脑细胞培育成微型三维器官是一项真正的突破，”资深作者约瑟夫·埃克(Joseph Ecker)说。他是霍华德·休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute)的研究员，也是索尔克基因组分析实验室的教授兼主任。“现在我们有了一个结构上现实的模型，我们可以通过观察它的遗传和表观遗传特征，开始问它在功能上是否也现实。”

多年来，细胞生物学家一直在用化学方法促使皮氏培养皿中的胚胎干细胞分化成各种类型的脑细胞。虽然研究人员能够从这些单层细胞中收集到大量信息，但明显的限制是，真正的脑组织不是二维的。2013年，欧洲研究人员开发了一种方法，可以在三维凝胶中培养胚胎脑细胞，在三维凝胶中，胚胎脑细胞开始分化成现实的层，就像真实的大脑一样。然而，直到现在，我们还不知道这些实验室培育的被称为大脑类器官(COs)的迷你大脑在外观和行为上有多像真正的大脑。

Ecker的实验室与欧洲开发了种植COs的方案的实验室合作，将早期大脑发育阶段的COs与同一发育阶段的真实脑组织进行了比较。

“我们的工作表明，人类大脑的发育在很大程度上可以通过大脑类器官在培养皿中进行重演，”这篇新论文的联合高级作者、欧洲实验室负责人于尔根•诺布利奇(Juergen Knoblich)表示。

为了制造出用于分析的COs，研究小组使用了一种名为H9的人类胚胎细胞系，添加了合适的化学物质，诱导细胞沿着神经发育路径下行60天。然后他们分析了COs的表观遗传学，即DNA上负责激活或沉默基因的化学标记模式。受饮食或压力等环境因素影响的细胞表观遗传学已经越来越多地与发育和疾病(如精神分裂症)联系在一起。

Salk研究助理、论文第一作者罗崇远(音译)说:“以前没有人做过大脑类有机物的表观基因组测序。”“这种评估对于理解大脑发育非常重要，尤其是如果我们最终要将这些组织用于神经治疗的话。”

研究小组将他们的研究结果与美国国立卫生研究院神经生物库(National Institutes of Health NeuroBioBank)与年龄匹配的真实组织以及其他研究人员的2D大脑模型数据进行了比较。他们发现，与2D模型相比，COs在细胞分化程度和基因表达方面更像真实的脑组织;换句话说，尽管COs的发育水平并不相同，但它和真实大脑的发育时间非常相似。

然而，当涉及到表观遗传学时，3D和2D模型都有类似的异常模式，这似乎是所有在培养基中生长的细胞与在大脑中生长的细胞所共有的。这种差异意味着什么还不完全清楚，但因为它如此引人注目，Ecker认为这可能是一个有用的测量模型与真实大脑有多相似的方法。

“我们的发现表明，作为大脑功能的三维模型，大脑类器官模型比二维模型更接近真实的大脑，因此，或许利用表观遗传模式作为衡量标准，我们可以更接近真实的大脑，”同样担任索尔克国际遗传学理事会(Salk International Council in Genetics)主席的埃克尔说。

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