Nature | 開發新型人大腦類器官培養方法研究個體差異與疾病易感

撰文丨雪月

個體之間的基因變異會影響多種疾病的易感性和疾病進展。然而，由於缺乏細胞人類模型以及難以擴展現有系統以提高普遍性，研究人大腦在正常發育和疾病表型上的差異仍然有限。

在大腦研究中，已經開創性的利用了由多能幹細胞衍生的二維神經元培養，生成包括多個供體細胞系的羣體模型。然而，2D培養系統通常僅產生有限種類的細胞類型，無法反映內源性大腦的多樣性。三維細胞培養模型，如人腦類器官，則可以更接近地模擬內源性大腦的細胞複雜性和發育事件。然而，將此方法擴展到3D類器官培養中一直受到限制，因爲在類器官系統中，不同生長速率和分化偏差的問題尤其嚴重，多個細胞類型需要長時間共同發育。通過預先選擇生長速率匹配的多能幹細胞可以緩解這一問題，但會限制實驗設計，僅能使用兼容的細胞系。

來自哈佛大學的Paola Arlotta團隊在Nature上發表題爲Brain Chimeroids reveal individual susceptibility to neurotoxic triggers的文章。作者開發了3D多供體Chimeroids模型，用於測量不同人類個體腦細胞在生物反應中的差異。研究表明個體之間的變異顯著影響了對神經毒性的易感性。

作者提出了3D多供體Chimeroids模型——一種高度可重複的皮層類器官模型，可以在不需要預先選擇PSC系的情況下保持供體細胞類型的平衡。作者使用這種模型來測量個體對兩種神經毒性壓力源的發育期暴露的易感性，分別爲乙醇 （與胎兒酒精綜合徵相關） 和抗癲癇藥物丙戊酸鈉 （valproic acid VPA；與自閉症譜系障礙風險增加相關） 。

作者從多種供體中獲取人多能幹細胞，並使用多種培養基進行培養。所有細胞系保持在50代以內。這些培養條件確保了各供體細胞在後續實驗中的健康狀態和一致性，爲類器官生成提供了穩定的細胞來源。單供體類器官在神經幹細胞或神經祖細胞階段重新聚合生成chimeroid，以確保每個供體的細胞都能在類器官中生成大腦皮層的所有細胞類型。生成的chimeroid模型在多供體環境中保持了各供體細胞類型的平衡，有效解決了單供體模型中可能存在的偏差問題。

在類器官模型成熟的第4個月，通過多電極陣列電生理記錄評估chimeroid的功能成熟度。通過NMDA和AMPA受體拮抗劑檢測突觸穀氨酸傳遞，以驗證chimeroid模型的電活動與單供體皮層類器官的相似性。MEA記錄顯示，chimeroid模型顯示出與單供體皮層類器官相似的電活動。這些結果進一步驗證了chimeroid模型在模擬人類大腦功能方面的可靠性。

將chimeroid暴露於生理相關濃度的乙醇和丙戊酸鈉中，爲期30天，從第45天至第75天。這個時間窗口覆蓋了從神經祖細胞到所有來源於皮層的神經元細胞類型。藥物處理後，丙戊酸鈉導致未成熟GABA能中間神經元和脈絡叢細胞比例顯著增加，而乙醇處理則導致其他特定細胞類型比例變化。這些結果顯示，不同供體對神經毒性物質的反應存在顯著差異，驗證了chimeroid模型在評估個體化藥物反應中的實用性。

接下來作者通過單細胞轉錄組對樣本進行進一步分析。分析顯示，丙戊酸鈉處理後，不同供體的基因表達反應存在顯著差異，這種差異在單供體和多供體類器官中保持一致。丙戊酸鈉處理導致未成熟中間神經元和脈絡叢細胞比例增加，而中間祖細胞比例減少。

本研究成功展示了chimeroid模型在研究個體對神經毒性物質反應中的巨大潛力。該模型不僅能夠再現人類大腦的複雜性，還能有效捕捉個體間的差異，爲未來的個性化醫學研究提供了強有力的工具。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07578-8

製版人：十一

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