近日，發(fā)表在《Nature Neuroscience》上的一項新研究中，來自美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）和斯坦福大學的研究團隊發(fā)現(xiàn)，由人類干細胞衍生的三維“迷你大腦”類器官的成熟方式與人類大腦的發(fā)育方式驚人地相似。
UCLA的Daniel Geschwind博士和斯坦福大學的Sergiu Pasca博士對在實驗室培養(yǎng)皿中培養(yǎng)了20個月的類器官進行了廣泛的遺傳分析。他們發(fā)現(xiàn)，這些三維結(jié)構(gòu)器官遵循一個內(nèi)部時鐘，該時鐘引導它們的成熟與人類發(fā)育的時間同步。
Geschwind博士說：“這是一個新穎的發(fā)現(xiàn)，因為到目前為止，還沒有人能在這么長的時間內(nèi)培育出這些類器官，也沒有人證明它們能在實驗室環(huán)境中大部分重現(xiàn)人腦的發(fā)育過程，這些研究結(jié)果對該領(lǐng)域是一個重要的推動。我們已經(jīng)證明這些類器官可以成熟并復制正常人類發(fā)育的許多方面，這使它們成為在培養(yǎng)皿中研究人類疾病的良好模型。”
人腦類器官是使用誘導性多能干細胞（也稱為iPS細胞）創(chuàng)建的，該干細胞源自皮膚或血細胞，這些細胞或血細胞被重新編程回胚胎干細胞樣狀態(tài)，從而使科學家可以創(chuàng)建任何細胞類型。然后，這些iPS細胞被暴露在一種特殊的化學混合物中，這種化學混合物會影響它們，從而生成大腦特定區(qū)域的細胞。在適當?shù)臅r間和條件下，細胞會自組織以創(chuàng)造出三維結(jié)構(gòu)，并“忠實”地復制人類大腦發(fā)育的多個方面。
人類干細胞衍生的類器官有可能徹底改變醫(yī)學實踐，因為它讓研究人員對包括大腦在內(nèi)的復雜器官是如何發(fā)育的以及人類對疾病反應(yīng)有了前所未有的認識。
多年來，研究人員一直在培育人腦類器官，以研究人類神經(jīng)和神經(jīng)發(fā)育障礙導致的疾病，如癲癇、自閉癥和精神分裂癥。由于普遍觀點認為，構(gòu)成這些類器官的細胞仍停留在與胎兒發(fā)育中所見細胞相似的發(fā)育狀態(tài)，因此這些模型的實用性受到了阻礙。
這項新研究表明，將這些細胞培養(yǎng)到成熟狀態(tài)是有可能的。這將使科學家可以更好地研究精神分裂癥或癡呆癥等成人疾病。Geschwind補充說：“這項工作代表了一個重要的里程碑，它顯示了人類大腦發(fā)育哪些方面以最高的保真度建模，哪些特定的基因在體外表現(xiàn)良好，以及什么時候建模最好。同樣重要的是，我們提供了一個基于無偏倚基因組分析的框架評估體外模型模擬體內(nèi)發(fā)育和功能的能力。”
該研究第一作者Geschwind實驗室的博士后研究員Aaron Gordon說：“我們發(fā)現(xiàn)，這些三維腦類器官遵循一個內(nèi)部時鐘，這個時鐘在實驗室環(huán)境中的進展與人體內(nèi)發(fā)生的事情是同步的。這是一個了不起的發(fā)現(xiàn)，我們證明了它們在培養(yǎng)后大約280天達到產(chǎn)后成熟，然后開始模擬嬰兒大腦的各個方面，包括神經(jīng)遞質(zhì)信號的已知生理變化。”
此外，該團隊還提供了一種名為GECO的工具，可以讓研究人員瀏覽他們感興趣的基因，從而測量體外和體內(nèi)大腦之間的保真度。
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