腦類器官研究專題之腦類器官構建

人腦是一個高度組織的結構，由各種細胞類型組成，包括神經元、神經膠質細胞和血管細胞。模擬人類大腦發(fā)育具有挑戰(zhàn)性，因為它需要對不同的生化和物理事件進行協(xié)調調節(jié)。類器官（Organoids）是一種基于3D體外細胞培養(yǎng)系統(tǒng)建立的與體內組織或器官高度相似的一種模型，能最大程度模擬人體器官，是促進個體疾病研究和個性化治療的強大系統(tǒng)。人腦類器官是干細胞衍生的三維培養(yǎng)物，概括了人腦的細胞和結構特征，使其成為移植療法的有希望的來源。人類大腦類器官可以表現(xiàn)出漸進的神經元成熟和功能，以及強大的宿主介導的血管形成。這些發(fā)現(xiàn)為使用腦類器官移植治療神經系統(tǒng)疾病的前景提供了光明。

今天我們講的是腦類器官構建的構建方法，該結果刊登在International Journal of Molecular Sciences。該文章主要講述的是3中腦類器官構建方法對于類器官模型的影響，是一篇片十分基礎的研究。

在文章中作者使用了三種方法構建腦類器官：（1）衍生于Lancaster, Madeline A et al. “Cerebral organoids model human brain development and microcephaly.” Nature vol. 501,7467 (2013): 373-9.的方法，這一類器官命名為PC1；（2）衍生于Lancaster, Madeline A et al. “Cerebral organoids model human brain development and microcephaly.” Nature vol. 501,7467 (2013): 373-9.的方法，這一類器官命名為PC2，該方法應用SMAD、GSK3、TGFβ抑制劑和WNT激活劑；（3）衍生于Pa?ca, Anca M et al. “Functional cortical neurons and astrocytes from human pluripotent stem cells in 3D culture.” Nature methods vol. 12,7 (2015): 671-8.的方法，這一類器官命名為PC3，該方法應用SMAD抑制劑和EGF和FGF處理。

免疫熒光檢測和qRT-PCR檢測發(fā)現(xiàn)，這三個方案產生的類器官具有神經元祖細胞和喙神經識別標記物以及神經元基因的整體表達，表明在所有條件下都有有效的神經外胚層獲取和神經發(fā)生，正如預期的那樣。

所有皮質類器官模型都模擬發(fā)育中的胚胎皮層的體內細胞極性和整體細胞結構，其中PC1類器官在長期基質膠嵌入和默認非定向條件后在體外顯示出最保守的細胞極性。如前所述，方案之間的這些差異可能表明Matrigel對神經上皮和細胞極性的生長有影響和/或神經誘導形態(tài)生成對神經上皮生長和細胞極性的影響。

在第50天和第90天觀察到神經元標志物的廣泛表達，來自所有方案的類器官中NEUN⁺和MAP2⁺神經元的數(shù)量隨時間增加。參與神經元成熟的基因和參與突觸建立的基因的表達水平同樣以時間依賴性方式上調。這些結果表明，腦類器官顯示出時間依賴性成熟，神經元功能所必需的基因（如AMPA和NMDA受體的亞基以及突觸后密度蛋白）的表達增加

發(fā)現(xiàn)PC1衍生類器官中TBR3+深層皮質神經元的比例更高，PC2和PC2衍生類器官中CTIP1+（深層）和SATB3+（上層）神經元的比例更高。此外， PC3衍生的類器官在第1天顯示出更高水平的谷氨酸能標志物VGLUT1和更高的VGLUT90點密度，表明谷氨酸能同一性更高。還在PC3類器官中檢測到更高百分比的GAD67+抑制神經元。Biomark分析確認了這些結果。端腦、皮質和谷氨酸能特異性標志物（如 FOXG1、EMX1、TBR2、NEUROD1、TBR1 和 VGLUT1）在3個月（第90天）在 PC3 來源的類器官中表達更多。這些數(shù)據(jù)表明，在沒有WNT激活的情況下，引導分化顯示出皮層、谷氨酸能和GABA能抑制性神經元祖細胞的最高富集，這表明在雙重SMAD抑制和沒有WNT活化等尾狀化因子的情況下具有更高的頭側皮層同一性