研究人员提出了持续生成高质量大脑类器官的指南和方法

通过在实验室中使用干细胞培育微型大脑样器官，科学家们开辟了一条研究神经发育、疾病和无法在活人身上进行的治疗的新途径。但并非所有的微型大脑类器官都是一样的，让它们精确地模仿他们正在建模的人类大脑组织一直是一个持续的挑战。

现在，这就像狂野的西部，因为没有生成迷你大脑类器官的标准方法。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相似的。”

BennettNovitch，加州大学洛杉矶分校EliandEdytheBroad再生医学和干细胞研究中心成员，也是一篇新论文的资深作者

事实上，由于它们的生产没有共同的协议并且缺乏质量控制指南，因此类器官可能因实验室而异——;甚至从批次到批次-;这意味着在一种类器官中的发现可能不适用于另一种类器官。

“如果我的实验室和楼下的另一个实验室使用相同疾病的微型大脑类器官模型进行药物筛选，我们仍然可以获得不同的结果，”新论文的第一作者、解剖学助理教授MomokoWatanabe说。加州大学欧文分校的神经生物学。“我们不知道谁的发现是正确的，因为我们看到的差异可能反映了我们的模型如何不同，而不是反映了疾病。”

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。

拥有能够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其重要，在这些疾病中，受影响的人的大脑通常在结构上与神经典型大脑相同，但在结构上却表现出显着差异。功能。

“我们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——如果我们的类器官细胞类型平衡错误或结构严重不规则，”诺维奇说，他也是加州大学洛杉矶分校脑研究所神经修复综合中心的主任。

创造最好的类器官：一个成熟的问题

为了生产直径从1到5毫米不等的微型大脑类器官，科学家们首先提取人体皮肤或血细胞，并将它们重新编程为诱导多能干细胞;可以分化成体内任何细胞类型的细胞。然后他们指导这些iPS细胞产生神经干细胞，这些细胞可以产生大脑中发现的大多数细胞类型。随着神经干细胞的形成，它们可以被诱导聚合成3D类器官。很简单。但是为什么有些类器官比其他类器官更类似于人脑呢?

为了回答这个问题，该团队与加州大学洛杉矶分校广泛干细胞研究中心的多能性专家KathrinPlath和AmanderClark合作。他们发现，用于生长类器官的干细胞的发育成熟度会影响其质量，就像食材的新鲜度会影响菜肴的质量一样。

“在人类胚胎发育中，神经系统是最早形成的结构之一，因此早期发育的干细胞最擅长产生大脑类器官是有道理的，”同时也是UCISue成员的Watanabe说&BillGross干细胞研究中心。

研究人员随后发现，将人类干细胞保持在适合类器官形成的早期发育状态的最佳方法是在装有小鼠皮肤细胞(称为成纤维细胞饲养细胞)的培养皿中培养它们，因为这些细胞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大并保持其不成熟状态。

不幸的是，他们还发现使用小鼠细胞可能会使类器官不太适合开发细胞疗法来替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。

将这四种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。

“我们找到了一种既能吃蛋糕又能吃的方法，”诺维奇说。“我们已经将小鼠细胞排除在外，同时保留了它们对类器官形成的一些好处，使我们更接近研究和开发复杂神经疾病治疗方法的目标。”

该研究由加州大学洛杉矶分校琼森综合癌症中心和广泛干细胞研究中心的Ablon学者计划资助;来自美国国立卫生研究院、加州再生医学研究所、玫瑰山基金会和广泛干细胞研究中心的研究/培训奖;上原纪念财团;加州大学洛杉矶分校脑研究所;和霍华德休斯医学研究所的教师学者资助。