作為在實驗室中通常利用人類干細(xì)胞培育出的大腦樣組織三維球體，大腦類器官被吹捧為有潛力讓科學(xué)家們在受控的實驗室條件下研究大腦回路的形成。關(guān)于大腦類器官的討論非常熱鬧，一些科學(xué)家認(rèn)為它們將使得快速開發(fā)針對破壞性的腦部疾病的治療方法成為可能，而另一些人則警告說，大腦類器官可能很快會獲得某種形式的意識。

不過，在一項新的研究中，來自美國加州大學(xué)舊金山分校等研究機構(gòu)的研究人員提出了一個更為克制的觀點：廣泛使用的大腦類器官模型無法復(fù)制大腦發(fā)育和組織結(jié)構(gòu)的基本特征，更不用說模擬復(fù)雜腦部疾病或正常認(rèn)知所需的復(fù)雜回路。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2020年2月6日的Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Cell stress in cortical organoids impairs molecular subtype specification”。論文通訊作者為加州大學(xué)舊金山分校神經(jīng)學(xué)教授Arnold Kriegstein博士。論文第一作者為加州大學(xué)舊金山分校Kriegstein實驗室博士后研究員Aparna Bhaduri博士和Madeline Andrews博士。

圖片來自Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-1962-0。

Kriegstein說，“一些人將大腦類器官稱為‘培養(yǎng)皿中的大腦’，但是我們的數(shù)據(jù)表明，這是一個極大的夸張。我們發(fā)現(xiàn)大腦類器官沒有產(chǎn)生正常人腦回路所特有的獨特性細(xì)胞亞型或區(qū)域性回路結(jié)構(gòu)。由于大多數(shù)人類腦部疾病對大腦中特定的細(xì)胞類型和回路具有高度特異性，因此這對利用大腦類器官精確模擬這些復(fù)雜疾病的努力提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?！?/span>

這項新的研究源于Kriegstein實驗室正在進行的研究工作，即在正常人類腦組織樣本的基礎(chǔ)上，全面繪制協(xié)調(diào)大腦發(fā)育的基因表達程序。Kriegstein實驗室旨在構(gòu)建出人類大腦發(fā)育的遺傳圖譜，作為將正常大腦發(fā)育與自閉癥等大腦發(fā)育疾病中發(fā)生的差錯進行比較的寶貴資源。

但是，當(dāng)這些研究人員將來自發(fā)育中大腦的數(shù)據(jù)與Kriegstein實驗室的大腦類器官模型進行比較時，他們很快就發(fā)現(xiàn)正常大腦組織中觀察到的精心組織的發(fā)育程序在Kriegstein實驗室的大腦類器官中受到顯著破壞。

大腦類器官未能產(chǎn)生關(guān)鍵細(xì)胞類型和組織結(jié)構(gòu)

這些研究人員測量了從37個不同的大腦類器官（通過使用三種不同的實驗室流程和四種不同的起始干細(xì)胞系產(chǎn)生）中提取出的235000多個細(xì)胞中的基因表達，并將這些基因表達模式與他們在來自正常發(fā)育的人類大腦在不同發(fā)育時間點的一系列大腦區(qū)域的大約18.9萬個腦細(xì)胞中觀察到的情形進行比較。

這項分析表明大腦類器官細(xì)胞沒有正常地分化為大腦中獨特的細(xì)胞類型，而是似乎經(jīng)歷了身份危機：同時表達通常在非常不同類型的細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的基因。起初，這些大腦類器官形成了類似于發(fā)育中大腦的某些特征的細(xì)胞“玫瑰花狀結(jié)構(gòu)”，但是它們很快就溶入了混雜在一起的細(xì)胞大雜燴中。Kriegstein說，“我們能夠鑒定出主要的細(xì)胞類型，但是缺乏在神經(jīng)回路的正常功能中起關(guān)鍵作用的細(xì)胞亞型的正常多樣性?！?/span>

為了確保這些結(jié)果擴展到在Kriegstein實驗室之外使用的制備大腦類器官的其他常見方法，這些研究人員比較了科學(xué)文獻中發(fā)表的八種不同類器官制備方法的單細(xì)胞基因表達數(shù)據(jù)（總共超過276000個細(xì)胞）與他們在發(fā)育中的大腦內(nèi)構(gòu)建出的正?；虮磉_圖譜。在每種情形下，這些已發(fā)表的類器官顯示出與Kriegstein實驗室在他們自身的大腦類器官模型中觀察到的相同結(jié)果：它們?nèi)狈m當(dāng)產(chǎn)生獨特細(xì)胞類型的能力。

Andrews說，“大腦將不同類型的細(xì)胞連接到高度結(jié)構(gòu)化的區(qū)域獨特性的回路中的能力不僅對正常的大腦功能和認(rèn)知至關(guān)重要，而且正是這些高度特異性的回路以不同的方式在自閉癥、精神分裂癥以及精神疾病和神經(jīng)疾病等腦部疾病中發(fā)生差錯。”

Bhaduri補充說，“在我們可以使用大腦類器官來研究這些疾病并尋找可能的治愈方法之前，我們需要確保它們實際上是在模擬受影響的大腦回路?！?/span>

減少細(xì)胞應(yīng)激可以改善大腦類器官模型

除了混亂的發(fā)育程序之外，大腦類器官模型均表達異常高水平的細(xì)胞“應(yīng)激”基因，從而控制細(xì)胞對有害環(huán)境條件（如缺氧）的反應(yīng)。這些研究人員假設(shè)這種加劇的細(xì)胞應(yīng)激可能是由在實驗室中培養(yǎng)大腦類器官的方法所引起的，并且可能阻止這些類器官產(chǎn)生適當(dāng)?shù)纳窠?jīng)細(xì)胞類型和區(qū)域組織結(jié)構(gòu)。

為了驗證這一假設(shè)，這些研究人員從產(chǎn)生的大腦類器官中提取出細(xì)胞，并將它們植入小鼠的大腦，以消除因在實驗室培養(yǎng)皿中培養(yǎng)而引起的應(yīng)激因素。在這種更加自然的環(huán)境中，這些大腦類器官細(xì)胞的應(yīng)激水平迅速下降至正常水平，并且正常的發(fā)育程序開始重新發(fā)揮作用。相反，當(dāng)他們獲取早期發(fā)育中的神經(jīng)組織并嘗試讓它與他們的實驗室大腦類器官一起培養(yǎng)時，應(yīng)激基因變得更加活躍，神經(jīng)組織中的年輕神經(jīng)元也出現(xiàn)了與實驗室大腦類器官相同的身份危機。

這些結(jié)果提示著神經(jīng)科學(xué)家想要在大腦類器官中模擬復(fù)雜的大腦組織的努力將需要重新思考如何在實驗室中培養(yǎng)大腦類器官，以嘗試降低細(xì)胞應(yīng)激水平。

Andrews說，“不同的研究團隊已經(jīng)以多種不同的方式優(yōu)化了大腦類器官的培養(yǎng)方式，因此，我們在來自不同實驗室的類器官中看到這些問題的事實表明，要改善類器官的產(chǎn)生方式很可能需要進行很大的改進。這絕非易事，但我希望這些結(jié)果以及Bhaduri在正常發(fā)育的大腦中的遺傳程序的獨特數(shù)據(jù)集能夠為這個領(lǐng)域指明正確的方向。”

這些研究人員強調(diào)大腦類器官在許多不需要精確模擬特定大腦回路或其功能障礙的研究中仍然是有用的工具，比如Bhaduri及其同事們在最近發(fā)表的一篇論文中使用大腦類器官作為一種在實驗室培養(yǎng)皿中研究膠質(zhì)母細(xì)胞瘤侵襲性擴散的方法（Cell Stem Cell, 2020, doi:10.1016/j.stem.2019.11.015）。Bhaduri說：“但是，這項新的研究非常清楚地表明在實驗室里，大腦類器官遠不能真正地復(fù)制發(fā)育中的大腦?！保ㄉ锕?Bioon.com）