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脑类器官增强复制人类大脑皮层生长

2019-06-07 10:57:33 • 来源：

研究人员在人类大脑“类器官”的发展方面取得了重大进展 - 微型3D组织培养模拟了盘子中的大脑。发表在“自然”杂志上的这种新方法与发育中的人类大脑皮层一样，以相同的顺序生长相同类型的细胞。这一进展可能改变研究人员研究神经精神疾病的方式并测试药物的有效性。

脑类器官增强复制人类大脑皮层生长

人类神经疾病背后的遗传学是复杂的，基因组的大跨度有助于疾病的发生和发展。研究其他动物的神经系统疾病为相关发现提供了有限的机会，因为人类的大脑非常独特。

有机体 - 简化的多细胞复制品，具有它们模拟的器官的一些特征，类器官使科学家能够看到结构内的细胞类型如何相互作用 - 为直接研究人类疾病提供了巨大的希望。但到目前为止，他们在一个非常重要的方面失败了：他们是不一致的。

“我们可能都会以不同的方式使用我们的大脑，但我们每个人都有相同的细胞类型和基本连接集合，”资深作者Paola Arlotta说，他是哈佛大学干细胞和再生生物学的Golub家庭教授，也是Broad's Stanley的成员。精神病研究中心。“这种一致性是至关重要的，除了极少数例外，每当人脑在子宫中形成时，它就会被复制。在我们的大脑中细胞类型和结构方面，我们之间只存在最小的差异。“

到目前为止，类器官的情况并非如此。虽然它们确实产生人脑细胞，但每一个细胞都是独特的。这意味着它们不能轻易地用于可靠地比较患病和对照脑组织之间的差异。

“有机体大大提高了我们研究人类发育中大脑的能力，”Arlotta说。“但直到现在，每个人都有自己的雪花，以一种一开始就无法预测的方式制造自己特殊的细胞类型。我们解决了这个问题。“

在晚期干细胞生物学家Yoshiki Sasai领导的开创性工作的基础上，该团队创造了几乎无法区分的类器官 - 即使在实验室中生长超过六个月。此外，在特定的培养条件下，类器官是健康的并且能够发育足够长的时间以产生通常在人类大脑皮层中发现的广谱细胞类型。

这些进展意味着脑类器官现在可以用作直接研究患者组织疾病的可行实验系统，并比较各种药物的效果。“人脑类器官创造了理解人类大脑发育的机会，并提供了一个关键模型，在分散的细胞培养物和动物之间进行调解，以研究许多破坏性的神经发育障碍，”斯坦利中心的核心研究所成员兼主任史蒂文海曼说。“到目前为止，这种模式的效用受到其变化的限制。Arlotta实验室迈出了一大步，将脑类器官制作成研究人类大脑疾病的急需模型。“

同样的细胞，同样的方式

研究人员专注于大脑皮层的类器官 - 大脑皮层的一部分，负责认知，语言和感觉。大脑皮层在神经精神疾病如自闭症谱系障碍和精神分裂症中起关键作用。

哈佛大学和布罗德研究所的研究科学家Silvia Velasco说：“我们从多个来自男性和女性的干细胞系中制造了类器官，因此它们的遗传背景不同。”

人脑组织生长非常缓慢。在这项研究中，六个月后，类器官已经长到3毫米。迄今为止，在大脑类器官中最大的单细胞RNA测序实验中，研究人员根据哪些基因在不同阶段表达而对细胞进行分组。使用计算模型进行大数据分析，他们将每组与胚胎大脑皮层中发育的细胞类型进行比较。

“尽管有不同的遗传背景，我们看到相同的细胞类型以相同的方式，以正确的顺序，最重要的是，在每个类器官中，”Velasco说。“我们真的很兴奋，这个模型给了我们这样的一致性。”

一种研究疾病的新方法使用本研究中优化的方法，研究人员可以从患者的干细胞中制造类器官，或者设计含有与特定疾病相关的突变的细胞。Arlotta的实验室目前正在探索自闭症，使用CRISPR / Cas9基因编辑技术开发特异于该疾病的脑类器官。

“现在可以将'对照'类器官与我们创造的类器官与我们知道与疾病相关的突变进行比较。这将使我们更加确定哪些差异是有意义的，哪些细胞受到影响，哪些分子途径出错，“Arlotta说。“具有可重复的类器官将有助于我们更快地采取具体的干预措施，因为它们将指导我们产生引起疾病的特定遗传特征。在未来，我预计我们将能够就精神疾病背景下出现的问题提出更为精确的问题。“

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