導讀
人體類器官是幹細胞衍生的三維結構，能夠模仿相關組織的分子特徵、細胞組成、結構以及功能。因此，類器官允許對人體組織生物學的生理和病理方面進行體外研究。目前，兩種來源的幹細胞可用於獲得類器官：多能幹細胞（PSCs）和組織幹細胞（TSCs）。
哺乳動物大腦發育和生物學的研究極大地受益於體內模型，主要是齧齒動物。儘管與齧齒類動物的大腦相比，許多特徵和功能原則上是保守的，但人類的大腦及其發展呈現出獨特的特點，包括更復雜的分層組織和增加的細胞多樣性等。
直到現在，實驗室中培養人腦類器官的方法是通過誘導胚胎或多能幹細胞發育成代表大腦不同區域的結構。在這一過程中，會通過使用特定的分子組合來試圖模擬大腦的自然發育過程，每一種小分子雞尾酒的「配方」都需要大量的研究工作。
2024 年 1 月 8 日，來自荷蘭瑪西瑪公主兒童腫瘤中心（Princess Máxima Centre for Pediatric Oncology）等單位的研究人員開闢了一種全新的方法，他們直接從人類胎兒的腦組織中開發出了大腦類器官，為研究與大腦發育相關的疾病（包括腦腫瘤）的發展和治療提供了一種有價值的手段。
該研究以Human fetal brain self-organizes into long-term expanding organoids為題發表在Cell雜誌。
圖片來源：Cell
他們發現健康的人類胎兒腦組織在體外自行組織成類器官（Fetal brain in vitro self-organizes into organoids, FeBOs），表現出與體內細胞相似的異質性和複雜的組織。此外，FeBOs 的生長需要維持組織的完整性，這保證了組織狀細胞外基質（ECM）生態位的產生，最終賦予 FeBOs 擴張的能力。利用 CRISPR-Cas9，他們還展示了用於腦癌研究的同基因突變 FeBOs 細胞系的生成。
主要研究內容
來源於健康人類胎兒腦組織類器官的建立
首先，研究人員獲取了孕 12 周至 15 周的健康人類胎兒腦組織，其中分離的人類神經幹細胞（NSCs）可以在培養液中以單層的形式生長，也可以以相對較小且無組織的 3D 細胞聚集物的形式生長。隨後，他們探索了不同的培養策略是否可以產生長期擴張的具有組織細胞和結構複雜性的類器官。為此，他們將組織切成小塊，並將這些碎片置於無血清和無細胞外基質的培養基中，並將其置於軌道振動器上。在最初的 4 到 8 天裡，形成了有組織的 3D 結構，它們擁有明確的邊界，這些結構隨著時間的推移而增長，同時保持組織樣的外觀，他們稱之為胎兒衍生的腦類器官（FeBOs），並且其可以通過切割整個類器官來可靠地傳代和不斷地重組整個類器官。
接下來，他們使用一組常見的神經發育標誌物來評估 FeBOs 的細胞組成。結果發現，大量的神經幹/祖細胞位於 FeBOs 的外圍，神經元細胞位於 FeBOs 中心。細胞組成的定量顯示了不同細胞群的可再生丰度，突出了 FeBOs 內部的細胞異質性。他們還使用完整 FeBOs 的慢病毒感染來評估細胞系動力學，發現隨著時間的推移，標記細胞數量增加，並且也位於類器官內部富含神經元的部分，支持正在進行的神經發生。轉錄組的特徵分析還顯示了它們獨特的神經外胚層特徵。
圖片來源：Cell
FeBOs 在單細胞水平上類似於人類胎兒腦組織
為了更詳細地研究 FeBOs 的細胞異質性，他們對來自 FeBOs 的細胞進行了單細胞測序。通過亞群聚類分析，他們定義了神經源性和神經元群體的異質性，鑑定了不同類型的中間神經元前體。同時，他們還發現 FeBOs 的細胞與人類胎兒腦組織細胞很好的整合，提示了兩者的相似性。
圖片來源：Cell
此外，他們還比較了早期傳代（2 個月）和 6 個月（後期傳代）的 FeBOs 相似性，發現細胞在相同的降維空間中很好地整合，相關分析顯示大多數相細胞亞群相關性較高，這些特徵突出了FeBOs 細胞呈現的細胞異質性，並且其與原代細胞類型比較相似。
圖片來源：Cell
FeBOs 的組織樣 ECM 生態位
越來越多的證據表明，細胞外基質（ECM）和 ECM-細胞間的相互作用在調節人腦發育起著至關重要的作用。轉錄組層面，他們發現 FeBOs 和人腦組織發育之間具有高度的相似性。進一步與蛋白質組資料進行比較，他們發現 ECM 腦關鍵成分（如蛋白多糖、葡聚糖和聯聚糖）在轉錄組-蛋白質組表達上具有良好的相似性。他們還通過 FeBOs 上清液分泌物的質譜分析來研究功能性的 ECM 分泌，檢測到了各種分泌的 ECM 成分，包括專門富集於人類胎兒腦組織的成分。
為了了解 FeBOs 分泌組織樣基質體的內在能力是否與細胞間組織和完整性的維持有關，他們將完整的 FeBOs 分泌體與神經球的分泌體進行了比較。結果表明，組織完整性的持續維持促進了 ECM 生態位的生成，而 ECM 生態位反過來又可能促進 FeBOs 在組織狀結構中的持續擴張。值得注意的是，FeBOs 分裂後不久，基質體分泌增加，表明 ECM 在 FeBOs 再生過程中的重要性。
圖片來源：Cell
CRISPR 編輯的 FeBOs 細胞系可用於腦腫瘤建模
考慮到組織衍生類器官快速擴張的能力，該團隊進一步研究了它們在腦癌建模方面的潛力。研究人員使用基因編輯技術 CRISPR-Cas9 在類器官中的少數細胞中引入了眾所周知的癌症基因 TP53 的缺陷。三個月後，TP53 缺陷的細胞在類器官中完全超過了健康細胞，這一結果意味著它們獲得了生長優勢，這是癌細胞的典型特徵。
然後，他們使用 CRISPR-Cas9 來關閉與腦腫瘤、膠質母細胞瘤相關的三個基因：TP53、PTEN 和 NF1。此外，研究人員還利用這些突變的類器官來觀察它們對現有抗癌藥物的反應。總之，這些實驗顯示了類器官在癌症藥物篩選方面的潛力，還可以將某些藥物與特定的基因突變聯繫起來。因此，FeBOs 搭建了一個通用的腦腫瘤建模平臺。
圖片來源：Cell
結語
綜上所述，在該研究中，他們證明了人胎兒腦組織的小片段可以在明確的培養條件下長時間擴展為類器官（FeBOs），並具有可靠的分子譜和細胞異質性。在這些 FeBOs 中，祖細胞定位於類器官外圍，而神經發生在中心位置，創造了一個自我維持的類器官系統。
人類胎兒來源的大腦類器官的完整圖像，幹細胞以 SOX2（灰色）標記，神經元細胞（TUJ1）根據深度從粉紅色到黃色進行顏色編碼。（Credit by Princess Máxima Center, Hubrecht Institute/B Artegiani, D Hendriks, H Clevers）
Benedetta Artegiani博士是 Princess Máxima 兒科腫瘤學中心的研究小組組長，也是這項研究的領導者之一，他說：「胎兒組織中的腦類器官是研究人類大腦發育的寶貴新工具。我們現在可以更容易地研究發育中的大腦是如何擴展的，並觀察不同細胞類型及其環境的作用。這可以讓我們更好地理解發育中的大腦如何調節細胞的身份，也有助於理解這一過程中的錯誤是如何導致諸如小頭症等神經發育疾病的，以及其他可能由發育異常引起的疾病，包括兒童腦癌。」
共同通訊作者Hans Clevers教授表示：「我們的研究為器官和大腦研究領域做出了重要貢獻。自從我們在 2011 年開發出第一個人類腸道類器官以來，很高興看到這項技術已經真正發展了。此後，類器官幾乎可以從人體所有組織中發展而來，包括健康和患病的組織。雖然我們已經可以從大多數人體器官中發展出類器官，但之前仍不能從大腦中衍生出類器官。現在我們能夠跨越這一障礙，這真的十分令人興奮。」
題圖來源：站酷海洛
參考文獻：
1. Hendriks et al., Human fetal brain self-organizes into long-term expanding organoids, Cell (2024).
2. Kim, J., Koo, B.K., and Knoblich, J.A. (2020). Human organoids: model systems for human biology and medicine. Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
3. Hofer, M., and Lutolf, M.P. (2021). Engineering organoids. Nat. Rev. Mater.