科學(xué)家對人腦發(fā)育的探索從未停止。近日由類器官領(lǐng)域先驅(qū)Hans Clevers及馬克西馬公主兒科腫瘤學(xué)中心、Hubrecht研究所共同組成的科研團(tuán)隊(duì)，首次利用人類胎兒大腦組織成功衍生出在體外自組織生成的大腦類器官（FeBO）。相關(guān)研究成果在頂級學(xué)術(shù)刊物《Cell》（影響因子 IF =64.5）發(fā)表，該試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了類器官技術(shù)在大腦研究領(lǐng)域的“里程碑”式重大發(fā)展，為深入研究大腦發(fā)育，探索大腦發(fā)育障礙、腦腫瘤等大腦發(fā)育相關(guān)疾病開辟了新路徑。

大腦是人體的核心器官之一，是重要的神經(jīng)中樞，負(fù)責(zé)支配和控制人類的一切生命活動。目前已知，在嬰兒出生時(shí)大腦已經(jīng)有許多神經(jīng)元，然而科學(xué)家很難直接在人類身上研究大腦早期在子宮內(nèi)的發(fā)育情況。

盡管此前已有一些動物模型實(shí)驗(yàn)的嘗試，但人類與動物（小鼠等）大腦發(fā)育存在顯著差異。如何在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)培養(yǎng)可以研究人類大腦早期發(fā)育的體外模型，成為困擾科學(xué)家的難題之一。

近日，由荷蘭馬克西馬公主兒科腫瘤學(xué)中心和Hubrecht研究所領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，成功在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)出人類胎兒腦組織的3D微型大腦類器官，為研究大腦發(fā)育提供了新方法，有助于科學(xué)家深入研究大腦發(fā)育障礙、腦腫瘤等大腦發(fā)育相關(guān)疾病。

△ 該研究由烏特勒支Hubrecht研究所的Hans Clevers教授與荷蘭馬克西馬公主兒科腫瘤學(xué)中心的干細(xì)胞生物學(xué)家Benedetta Artegiani等人聯(lián)合發(fā)起，成功利用人胎大腦組織生成類器官（FeBO），研究成果榮登頂級期刊《Cell》，成為2024開年以來類器官研究的重磅新聞。

01

首次用人胎腦組織生成類器官

推進(jìn)人腦研究“里程碑”式發(fā)展

科學(xué)研究從來不是一蹴而就的，對于類器官這個(gè)全新的研究領(lǐng)域更是如此。

科學(xué)家們一直嘗試用不同的方法來模擬健康組織或疾病的體外模型，包括早期的2D細(xì)胞系，動物實(shí)驗(yàn)，以及最近的3D類器官微型模型等。隨著類器官技術(shù)的不斷進(jìn)步，促使科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中模擬器官功能的特征及組織復(fù)雜程度的“夢想”成為可能。

2007年，馬克西馬公主兒科腫瘤學(xué)中心（Princess Máxima Center for Pediatric Oncology）的干細(xì)胞生物學(xué)家Benedetta Artegiani博士（也是本次大腦類器官實(shí)驗(yàn)的發(fā)起人之一）曾與同事們報(bào)告了題為“人類胎兒大腦自組織成長期擴(kuò)展的類器官”的研究論文，試圖打破現(xiàn)階段只有多能干細(xì)胞衍生大腦類器官的現(xiàn)實(shí)。

時(shí)隔多年，Artegiani博士與Hubrecht研究所Hans Clevers教授等人一起，首次實(shí)現(xiàn)了利用人類胎兒大腦組織直接衍生人腦類器官的創(chuàng)舉！

他們驚訝地發(fā)現(xiàn)使用小塊胎兒腦組織（來自皮層、前腦和脊髓等不同大腦區(qū)域），而非原始組織分解的單細(xì)胞，竟然在體外自主生成大腦類器官（FeBOs）。

△ 一個(gè)完整的人類胎兒大腦器官的圖像。干細(xì)胞用SOX2(灰色)標(biāo)記，神經(jīng)元細(xì)胞(TUJ1)根據(jù)深度用從粉紅色到黃色的顏色編碼。

這個(gè)大腦類器官大約有米粒大小，展示出一個(gè)復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，其中包括許多不同類型的腦細(xì)胞。重要的是，還包含許多所謂的外側(cè)放射膠質(zhì)細(xì)胞（outer radial glia）——一種在人類和我們的進(jìn)化祖先中發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞類型。這強(qiáng)調(diào)了該大腦類器官與人類大腦的相似性以及在研究中的用途。

這些胎兒腦組織還產(chǎn)生了構(gòu)成細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的蛋白質(zhì)，被認(rèn)為是細(xì)胞周圍的一種“支架”?？茖W(xué)家認(rèn)為，這些蛋白質(zhì)或許是大腦組織碎片能夠自我組織生成3D大腦結(jié)構(gòu)的重要原因。

他們還發(fā)現(xiàn)，這樣生成的大腦類器官保留了它們來源的大腦特定區(qū)域的各種特征（可以對大腦發(fā)育中起到重要作用的信號分子做出反應(yīng)）。這將有助于進(jìn)一步研究腦細(xì)胞的環(huán)境，探究大腦是如何發(fā)育和分化的，有望解開這些細(xì)胞外基質(zhì)如何在指導(dǎo)大腦發(fā)育的復(fù)雜分子網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮作用的謎題。

△論文圖形摘要。該研究將有助于對大腦發(fā)育的深入研究，提供腦腫瘤、大腦發(fā)育相關(guān)疾病的治療新路徑。

鑒于組織衍生的大腦類器官（FeBO）具有快速擴(kuò)張的能力，科學(xué)家們還研究了它們在模擬腦腫瘤中的潛力。利用CRISPR-Cas9“基因魔剪”技術(shù)在FeBO的少數(shù)細(xì)胞中引入了眾所周知的癌癥基因——TP53的錯誤。

3個(gè)月后，TP53基因缺陷的細(xì)胞已經(jīng)完全取代了類器官里的健康細(xì)胞，這意味著它們獲得了生長優(yōu)勢，這是癌細(xì)胞的典型特征。

△多組大腦類器官在培養(yǎng)皿中裂解過程的代表性圖像。

這個(gè)類器官模型將有助于科學(xué)家測試新的腦癌治療藥物。他們還計(jì)劃使用胎兒腦類器官來研究唐氏綜合征等神經(jīng)發(fā)育障礙疾病。

為了進(jìn)一步研究腦腫瘤與基因突變的關(guān)系，科學(xué)家使用CRISPR-Cas9技術(shù)關(guān)閉了與腦膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（Glioblastoma，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤是星形細(xì)胞腫瘤中惡性程度最高的膠質(zhì)瘤）相關(guān)的三個(gè)基因：TP53、PTEN和NF1。經(jīng)由基因突變的類器官可以觀察它們對現(xiàn)有腫瘤藥物的反應(yīng)。

通過CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了用于腦腫瘤研究的基因突變大腦類器官模型，F(xiàn)eBO構(gòu)成了一個(gè)互補(bǔ)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)類器官平臺。并且在腫瘤藥物研究中，具有將某些藥物與特定基因突變聯(lián)系起來的潛力，有望為腦腫瘤患者精準(zhǔn)用藥和個(gè)體化治療提供新方案。

通過研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這個(gè)大腦類器官具有快速擴(kuò)張的能力，即增殖能力，可以在培養(yǎng)皿中持續(xù)生長超過6個(gè)月。更為重要的是，通過增殖可以讓它們從一個(gè)組織樣本中長出許多類似的大腦類器官。

△ 成熟的大腦類器官（擴(kuò)增2-3個(gè)月后成熟）中指示標(biāo)志物的代表性免疫熒光圖像。

此外，帶有腦膠質(zhì)母細(xì)胞瘤基因突變的微型腫瘤類器官也可實(shí)現(xiàn)增殖，并保持相同的突變組合。這一特性表明，科學(xué)家們可以利用這些大腦類器官進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以此提高科研結(jié)果的可靠性。

Hubrecht研究所的干細(xì)胞生物學(xué)家Delilah Hendriks表示，到目前為止進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)只是“冰山一角”。未來，科學(xué)家將進(jìn)一步探索新的組織衍生大腦類器官的潛力，他們還計(jì)劃繼續(xù)與已經(jīng)參與形成這項(xiàng)研究的生物倫理學(xué)家合作，以指導(dǎo)新的大腦類器官的未來發(fā)展和應(yīng)用。

02

日新月異的類器官技術(shù)

將顛覆傳統(tǒng)大腦研究

這一開創(chuàng)性大腦類器官的誕生，無疑為加速類器官技術(shù)發(fā)展注入了“助推劑”。不僅令參與研究的科學(xué)家們備受鼓舞，而且讓更多大腦相關(guān)疾病患者感受到科技進(jìn)步帶來的曙光。

加州大學(xué)舊金山分校神經(jīng)學(xué)家Arnold Kriegstein表示，研究人員已經(jīng)為這種新的類器官“展示了一些有趣和創(chuàng)造性的用途”。他認(rèn)為胎兒腦類器官可以幫助研究人員解決以前未能接觸到的問題，比如特定神經(jīng)元是如何在發(fā)育成熟的大腦中分化完成的。

△ 四張不同人類胎兒大腦器官的放大圖像。不同的神經(jīng)標(biāo)記被染色，描繪了它們的細(xì)胞異質(zhì)性和結(jié)構(gòu)。

馬克西馬公主兒科腫瘤學(xué)中心Benedetta Artegiani指出，盡管這些類器官可以作為研究大腦的替代物，但原始干細(xì)胞必須通過引入信號分子的混合物，從而“刺激”干細(xì)胞發(fā)育到類似大腦的狀態(tài)。這是一個(gè)復(fù)雜的過程，可能無法完全復(fù)制正常的發(fā)育過程。

之前有研究人員已經(jīng)用人類胎兒腸道、肝臟和肺組織培育出相應(yīng)的類器官，但沒有用胎兒腦組織培育過類腦器官。相比之下，使用天然胎兒腦組織培育類腦器官可能有助于揭示人類大腦的真實(shí)發(fā)育過程。

“由人胎腦組織衍生的大腦類器官將成為研究人類大腦發(fā)育的一種寶貴的新工具。如今，我們可以更為輕松地研究發(fā)育中的大腦是如何擴(kuò)張的，并觀察不同細(xì)胞類型及其環(huán)境的作用?！毖芯空撐墓餐髡咧籄rtegiani表示，“這個(gè)全新的大腦類器官模型讓我們能夠更好地了解發(fā)育中的大腦如何調(diào)節(jié)細(xì)胞的身份。它還有助于了解這一過程中的錯誤如何導(dǎo)致小頭畸形等神經(jīng)發(fā)育疾病，以及其他可能源于發(fā)育失常的疾病（比如兒童腦癌，唐氏綜合征等）。”

馬克西馬公主兒科腫瘤學(xué)中心的附屬小組負(fù)責(zé)人Delilah Hendriks博士表示，“組織衍生的大腦類器官將是大腦類器官領(lǐng)域的重要補(bǔ)充，科學(xué)家可以通過這兩個(gè)不同的模型，解碼人類大腦的復(fù)雜性。”

對此，類器官研究的先驅(qū)，也是本研究的主要發(fā)起人之一Hans Clevers博士教授說道，“自從我們在2011年開發(fā)出第一個(gè)人類腸道類器官以來，很高興看到了這項(xiàng)技術(shù)的真正起飛。從那以后，人體幾乎所有的組織都可以衍生出類器官，包括健康的和患病的（甚至還有越來越多的兒童腫瘤）”。

Hans Clevers表示，到目前為止，我們已經(jīng)能從大多數(shù)人體器官中培養(yǎng)出微型類器官，尤其是大腦這個(gè)難以逾越的“鴻溝”，也實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，這真的很令人興奮！”

綜上，類器官技術(shù)雖然只有短短的十幾年，然而在技術(shù)創(chuàng)新方面卻是一路“高歌猛進(jìn)”式的。隨著類器官作為人體組織和器官體外研究平臺的日益精進(jìn)，人類將顛覆過往醫(yī)學(xué)研究的重重阻礙，實(shí)現(xiàn)疾病模型、精準(zhǔn)醫(yī)療、基因編輯等各領(lǐng)域研究成果的“繁花”盛放。

寫在最后

飛速發(fā)展的類器官技術(shù)同樣也面臨傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)前所未有的“倫理”問題。盡管人胎大腦類器官研究實(shí)屬類器官研究，尤其是大腦類器官研究過程中的重大突破，然而研究團(tuán)隊(duì)使用的從墮胎中獲得的胎兒組織仍存在倫理爭議。對于大多數(shù)科學(xué)家來說，多能干細(xì)胞衍生的類器官可能更容益獲得并進(jìn)行研究，從組織直接衍生類器官的研究仍是長路漫漫。