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作者：子非鱼 转载请注明：解螺旋·临床医生科研成长平台 自从3D打印的问世，世界就开始变得疯狂起来，在各个领域都掀起了革命的热潮，尤其在关乎人类生命健康的生物医学领域。卵巢支架、血管、耳朵、心脏瓣膜，单单这些器官的成功构建就让我们觉得匪夷所思，然而科研界依然有更多的研究成果不断带给我们惊喜。 每一个研究脑神经的科学家们都期望能在体外借助人类胚胎干细胞构建3D“微型大脑”模型，因为3D“微型大脑”的结构和功能比目前2D模型更为接近真正的大脑，因而，对3D大脑模型的深入解析可以加深对大脑发育过程的理解，同时也为各类精神疾病的生理性发病机制提供新的思路。 近日哈佛大学的Giorgia Quadrato等人和斯坦福大学医学院的Fikri Birey等人均在3D大脑领域中取得喜人的成绩，他们用体外多能干细胞培育3D大脑类器官，并对其区域复杂性、胞内多样性和脑神经环路功能进行了相关研究，文章均发表在顶级杂志Nature上。 Giorgia Quadrato等人深入研究了大脑发育过程，首先通过单细胞测序和免疫组化技术，对多能干细胞在体外培育出的人脑类器官进行细胞特性的归纳与分类。其次，把体外多能干细胞的生长发育成类器官的周期延长，并将培养了六个月的类器官细胞群分为内源性成年人角质细胞类群、大脑皮层前体细胞类群、表达视网膜基因的细胞类群等十个主要的类群。 然后进一步分析了不同细胞类群在不同发育阶段的基因表达水平，发现人脑类器官具有分化成内源性器官的潜能，比如来自新生皮层和视网膜的细胞具有发育成皮层和视网膜的特性。 而且类器官长期培养（超过9个月）后有更深层次的分化成熟，如突触和树突棘的形成和自发的活动性神经网络的形成等表观相对成熟的特征。 另外还发现，大脑类器官存在受光刺激调节的功能性光敏细胞，并且可利用光敏细胞的感光性操纵大脑类器官的神经活动，这对于探究人类大脑神经环路的功能又提供了一种研究手段。 Fikri Birey等人则聚焦于大脑发育相关的疾病研究，先将人源多能干细胞（hPS cells）发育的类器官诱导分化为皮层类器官（hCS）和亚皮层类器官（hSS）；再根据特定神经元的标记物、单细胞测序，进一步将其划分为谷氨酸能神经元类群、GABA能神经元类群等八大类群。 电生理全细胞记录发现，大约75%的hSS神经元产生动作电位，且60%的神经元记录到自发的抑制性突触后电流（IPSCs）。 为了进一步研究GABA能神经元从腹侧到背侧前脑的迁移以及对皮层环路的整合，Fikri Birey等人利用融合的hCS-hSS来构建细胞迁移缺陷的TS（Timothy syndrome，TS，是由于CaV1.2钙离子通道突变引起的神经发育疾病）模型。 结果发现相比于对照组，TS呈现出异常的中间神经元的迁移，并且这种中间神经元的异常迁移可以通过减少L型钙通道的活动（LTCCs）来恢复到正常水平。 同时也发现融合的hCS-hSS在神经元迁移之后，中间神经元功能性的整合到谷氨酸能神经元，形成了生理状态下的微系统。 这是首次利用人脑类器官模型来研究人的中间神经元到皮层的迁移和大脑微环路的功能整合。 参考文献：1、Cell diversity and network dynamics in photosensitive human brain organoids 2、Assembly of functionally integrated human forebrain spheroids |
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