Nature | 开发新型人大脑类器官培养方法研究个体差异与疾病易感

撰文丨雪月

个体之间的基因变异会影响多种疾病的易感性和疾病进展。然而，由于缺乏细胞人类模型以及难以扩展现有系统以提高普遍性，研究人大脑在正常发育和疾病表型上的差异仍然有限。

在大脑研究中，已经开创性的利用了由多能干细胞衍生的二维神经元培养，生成包括多个供体细胞系的群体模型。然而，2D培养系统通常仅产生有限种类的细胞类型，无法反映内源性大脑的多样性。三维细胞培养模型，如人脑类器官，则可以更接近地模拟内源性大脑的细胞复杂性和发育事件。然而，将此方法扩展到3D类器官培养中一直受到限制，因为在类器官系统中，不同生长速率和分化偏差的问题尤其严重，多个细胞类型需要长时间共同发育。通过预先选择生长速率匹配的多能干细胞可以缓解这一问题，但会限制实验设计，仅能使用兼容的细胞系。

来自哈佛大学的Paola Arlotta团队在Nature上发表题为Brain Chimeroids reveal individual susceptibility to neurotoxic triggers的文章。作者开发了3D多供体Chimeroids模型，用于测量不同人类个体脑细胞在生物反应中的差异。研究表明个体之间的变异显著影响了对神经毒性的易感性。

作者提出了3D多供体Chimeroids模型——一种高度可重复的皮层类器官模型，可以在不需要预先选择PSC系的情况下保持供体细胞类型的平衡。作者使用这种模型来测量个体对两种神经毒性压力源的发育期暴露的易感性，分别为乙醇 （与胎儿酒精综合征相关） 和抗癫痫药物丙戊酸钠 （valproic acid VPA；与自闭症谱系障碍风险增加相关） 。

作者从多种供体中获取人多能干细胞，并使用多种培养基进行培养。所有细胞系保持在50代以内。这些培养条件确保了各供体细胞在后续实验中的健康状态和一致性，为类器官生成提供了稳定的细胞来源。单供体类器官在神经干细胞或神经祖细胞阶段重新聚合生成chimeroid，以确保每个供体的细胞都能在类器官中生成大脑皮层的所有细胞类型。生成的chimeroid模型在多供体环境中保持了各供体细胞类型的平衡，有效解决了单供体模型中可能存在的偏差问题。

在类器官模型成熟的第4个月，通过多电极阵列电生理记录评估chimeroid的功能成熟度。通过NMDA和AMPA受体拮抗剂检测突触谷氨酸传递，以验证chimeroid模型的电活动与单供体皮层类器官的相似性。MEA记录显示，chimeroid模型显示出与单供体皮层类器官相似的电活动。这些结果进一步验证了chimeroid模型在模拟人类大脑功能方面的可靠性。

将chimeroid暴露于生理相关浓度的乙醇和丙戊酸钠中，为期30天，从第45天至第75天。这个时间窗口覆盖了从神经祖细胞到所有来源于皮层的神经元细胞类型。药物处理后，丙戊酸钠导致未成熟GABA能中间神经元和脉络丛细胞比例显著增加，而乙醇处理则导致其他特定细胞类型比例变化。这些结果显示，不同供体对神经毒性物质的反应存在显著差异，验证了chimeroid模型在评估个体化药物反应中的实用性。

接下来作者通过单细胞转录组对样本进行进一步分析。分析显示，丙戊酸钠处理后，不同供体的基因表达反应存在显著差异，这种差异在单供体和多供体类器官中保持一致。丙戊酸钠处理导致未成熟中间神经元和脉络丛细胞比例增加，而中间祖细胞比例减少。

本研究成功展示了chimeroid模型在研究个体对神经毒性物质反应中的巨大潜力。该模型不仅能够再现人类大脑的复杂性，还能有效捕捉个体间的差异，为未来的个性化医学研究提供了强有力的工具。

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

制版人：十一

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