使实验室培养的大脑类器官更聪明

通过在实验室中使用干细胞来生长微型类似大脑的器官，科学家们为研究无法在活人身上进行的神经发育，疾病和疗法开辟了一条新的途径。但并非所有的迷你脑类器官都是平等的，让它们精确地模仿它们正在建模的人脑组织一直是一个持续的挑战。

“现在，它就像狂野的西部，因为没有产生迷你大脑类器官的标准方法，”加州大学洛杉矶分校Eli和EdytheBroad再生医学和干细胞研究中心的成员，也是一篇关于该主题的新论文的资深作者BennettNovitch说。“每个神经科学家都想为他们最喜欢的疾病制作一个大脑类器官模型，但每个人的类器官并不总是看起来一样。

事实上，由于没有共同的生产方案，并且缺乏质量控制指南，类器官可能因实验室而异-甚至因批次而异-这意味着在一种类器官中做出的发现在另一种类器官中可能并不成立。

“如果我的实验室和大厅里的另一个实验室使用相同疾病的迷你脑类器官模型进行药物筛查，我们仍然可以得到不同的结果，”新论文的第一作者，加州大学欧文分校解剖学和神经生物学助理教授WatokoWatanabe说。“我们不知道谁的发现是正确的，因为我们看到的差异可能是我们的模型如何不同的反映，而不是疾病的反映。

在他们今天发表在《干细胞报告》上的新研究中，Novitch，Watanabe和他们的同事根据他们的研究提出了指导方针，可以帮助科学家克服阻碍这些类器官充分发挥潜力的两个主要障碍：均匀性和结构的差异。

拥有准确且一致地重建大脑特定部分的结构和细胞组成的类器官对于研究精神分裂症和自闭症谱系障碍等疾病尤为重要，在这些疾病中，受影响人的大脑通常看起来与神经典型大脑在结构上相同，但在功能上表现出显着差异。

“如果我们的类器官具有错误的细胞类型平衡或严重不规则的结构，我们将永远无法识别大脑结构和功能的细微差异-与神经系统疾病患者相关的东西-”Novitch说，他也是加州大学洛杉矶分校脑科学研究所提供的神经修复综合中心的主任。

创造最好的类器官：成熟的问题

为了生产直径从1到5毫米的微型脑类器官，科学家们首先将人体皮肤或血细胞重新编程，使它们成为诱导多能干细胞-可以分化成体内任何细胞类型的细胞。然后，他们引导这些iPS细胞产生神经干细胞，神经干细胞可以产生大脑中发现的大多数细胞类型。当神经干细胞形成时，它们可以被诱导聚集成3D类器官。非常简单。但是，为什么有些类器官比其他类器官更像人类的大脑呢?

为了回答这个问题，该团队与来自加州大学洛杉矶分校广泛干细胞研究中心的多能性专家凯瑟琳·普拉斯和阿曼德·克拉克合作。他们发现，生长类器官的干细胞的发育成熟会影响其质量，就像成分的新鲜度会影响烹饪菜肴的质量一样。

“在人类胚胎发育中，神经系统是最早形成的结构之一，因此发育早期的干细胞最擅长产生大脑类器官是有道理的，”Watanabe说，他也是UCISue和BillGross干细胞研究中心的成员。

研究人员随后发现，使人类干细胞保持适合类器官形成的早期发育状态的最佳方法是在具有小鼠皮肤细胞(称为成纤维细胞饲养者的培养皿)中培养它们，因为它们提供必要的化学信号和结构支持，帮助干细胞随着时间的推移扩展并保持其不成熟。

不幸的是，他们还发现，使用小鼠细胞会使类器官不太适合开发细胞疗法来取代患病或受损的神经组织。此外，这些饲养层支持的方法比许多实验室常用的干细胞生长方法更费力。

该团队接下来转向RNA测序和计算分析，试图查明产生良好类器官的干细胞与不产生良好类器官的干细胞之间的遗传差异。这使他们能够识别出四种分子-都属于转化生长因子β超家族的分子-负责将干细胞保持在欠发达状态。

将这四个分子添加到培养皿中生长的干细胞中，使它们处于未成熟状态，并使这些细胞能够产生高质量，结构良好的类器官。

“我们找到了一种方法来吃我们的蛋糕，”诺维奇说。“我们已经将小鼠细胞从等式中剔除，同时保留了它们对类器官形成的一些益处，使我们更接近研究和开发复杂神经系统疾病治疗方法的目标。