胶质瘤Nature子刊高水平文章

本文介绍了一项关于高产量人脑类器官（hi-q brain organoids）的研究，该研究由Anand Ramani、Giovanni Pasquini、Niklas J. Gerkau等多名作者共同完成，并于2024年发表在《Nature Communications》期刊上。该研究的主要目标是开发一种能够大规模生成高质量脑类器官的方法，以用于模拟小头畸形、胶质瘤侵袭等神经发育疾病，并进行药物筛选。

研究背景

脑类器官（brain organoids）是一种由人类诱导多能干细胞（hiPSCs）衍生的三维培养模型，能够模拟人类大脑的发育过程及其相关疾病。尽管脑类器官在神经发育和疾病建模方面具有巨大潜力，但其应用受到形态和细胞异质性、类器官大小差异、细胞应激以及批次间可重复性差等问题的限制。为了解决这些问题，研究团队开发了一种新的培养方法，能够从多个hiPSC系中生成数千个具有高度一致性的脑类器官，称为hi-q脑类器官。

研究方法

研究团队开发了一种简化的培养方法，直接诱导hiPSCs分化为神经上皮，跳过了传统的胚状体（embryoid body, EB）阶段。具体步骤如下： 1. 神经球形成：hiPSCs在无基质胶和Rho激酶抑制剂（ROCK inhibitor）的条件下，通过定制的微孔板形成均匀大小的神经球（neurospheres）。 2. 类器官生成：神经球被转移到旋转生物反应器中，使用特定的培养基进行分化，最终生成脑类器官。 3. 细胞多样性分析：通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析hi-q脑类器官的细胞多样性，发现其细胞类型与人类大脑相似，且没有过度激活的细胞应激通路。 4. 功能验证：通过钙成像技术验证了hi-q脑类器官的神经元网络功能，发现其具有自发的钙信号活动，并能对谷氨酸和GABA等神经递质产生反应。 5. 冷冻保存与复苏：研究团队成功冷冻保存了18天大的hi-q脑类器官，并在解冻后重新培养，发现其细胞结构和功能与未冷冻的类器官相似。

主要结果

1. hi-q脑类器官的生成：研究团队成功生成了约15,373个hi-q脑类器官，这些类器官在大小、形状和细胞多样性上表现出高度一致性。
2. 细胞多样性：scRNA-seq分析显示，hi-q脑类器官的细胞类型与人类大脑相似，且没有过度激活的细胞应激通路。
3. 功能验证：钙成像实验表明，hi-q脑类器官具有自发的钙信号活动，并能对神经递质产生反应，表明其具有功能性神经元网络。
4. 冷冻保存与复苏：hi-q脑类器官在冷冻保存后能够成功复苏，并保持其细胞结构和功能。
5. 疾病建模：hi-q脑类器官成功模拟了由CDK5RAP2突变引起的小头畸形和Cockayne综合征相关的神经发育缺陷。
6. 药物筛选：研究团队利用hi-q脑类器官进行了胶质瘤侵袭模型的药物筛选，发现Selumetinib和Fulvestrant能够有效抑制胶质瘤干细胞的侵袭。

结论与意义

该研究开发了一种高效、可重复的hi-q脑类器官生成方法，解决了传统脑类器官在异质性和可重复性方面的局限性。hi-q脑类器官不仅能够模拟多种神经发育疾病，还为药物筛选提供了可靠的平台。此外，hi-q脑类器官的冷冻保存能力为其在个性化医疗中的应用提供了便利。

研究亮点

1. 高产量与一致性：hi-q脑类器官能够在单批次中生成数千个具有高度一致性的类器官。
2. 细胞多样性：hi-q脑类器官的细胞类型与人类大脑相似，且没有过度激活的细胞应激通路。
3. 功能验证：hi-q脑类器官具有功能性神经元网络，能够对神经递质产生反应。
4. 冷冻保存：hi-q脑类器官能够成功冷冻保存并复苏，为其在生物样本库中的应用提供了可能。
5. 疾病建模与药物筛选：hi-q脑类器官成功模拟了多种神经发育疾病，并用于药物筛选，发现了抑制胶质瘤侵袭的有效化合物。

应用价值

hi-q脑类器官的生成方法为神经发育疾病的研究提供了新的工具，特别是在个性化医疗和药物筛选方面具有重要应用价值。通过模拟疾病相关的细胞和分子机制，hi-q脑类器官有望加速新药的开发，并为罕见神经疾病的治疗提供新的思路。