人类胎儿大脑类器官自我组织成长期扩张的类器官

本研究背景基于人类大脑发育的复杂性，特别是在与其他哺乳动物相比时所表现出的独特特征，如脑表面折叠、前脑扩大、层次结构的复杂性、发育过程的延长以及细胞多样性的增加。尽管通过在体模型（主要是啮齿类动物）的研究已经极大地推动了对哺乳动物大脑发育和生物学的理解，但人类大脑及其发育呈现出特有的模式和调控机制。此外，人类特有的基因调控机制和通路也在大脑发育中发挥重要作用。因此，建立能够模拟人类大脑发育的体外模型对于深入理解人类特有的大脑发育特征、疾病机制以及进化意义至关重要。当前研究通过开发人类胎儿大脑类器官（FeBOs），旨在提供一个能够长期自我组织的三维培养系统，以模拟和研究人类大脑发育的各个方面。

图1展示了人类胎儿大脑类器官（FeBOs）的建立、特征和扩增能力。通过将健康人类胎儿大脑组织切割成小块并在特定培养条件下培养，这些组织片段能够自我组织并形成具有细胞异质性和复杂组织的类器官结构。FeBOs能够在长期培养中不断扩张，通过定期传代保持其大小和形态，且其扩张能力可以通过改变培养条件进一步增强或抑制。此外，通过免疫荧光染色和透射电镜分析，FeBOs显示出与神经发育相关的细胞类型和组织结构特征，证明了其在模拟人类大脑发育方面的潜力。

图2展示了通过特定策略从不同大脑区域衍生的区域性人类胎儿大脑类器官（FeBOs），并对其区域特征进行了表征。研究者们从捐赠者获取了来自前脑背侧和腹侧的组织片段，并成功建立了相应的FeBOs。通过免疫荧光染色和RNA测序分析，这些FeBOs保留了其起源区域的特定分子标记，表明它们能够捕捉并反映大脑区域的特定位身份。此外，通过对这些区域性FeBOs的长期培养和分析，研究证实了它们在维持细胞组成和区域特征方面的稳定性，为研究人类大脑区域化提供了有力的体外模型。

图3展示了通过改变培养条件来增强FeBOs的成熟过程，并对其细胞和分子成熟特征进行了分析。通过在培养基中去除生长因子并添加基底膜提取物，FeBOs的扩张速度减缓，同时表现出更多的成熟神经元特征。免疫荧光染色和透射电镜分析揭示了FeBOs中细胞形态和结构特征的变化，如增加的神经元标记表达、突触前和突触后蛋白的增加、以及可能的髓鞘形成迹象。此外，通过活体成像技术，研究还观察到了FeBOs中细胞自发和规律的钙离子尖峰活动，表明FeBOs能够模拟大脑发育中的电生理活动。这些结果表明，通过调整培养条件，FeBOs可以作为一种强大的模型系统来研究人脑的成熟和功能发展。

图4通过单细胞测序分析，揭示了来自背侧和腹侧前脑的FeBOs在细胞异质性和发育轨迹上的复杂性。研究者们对这些FeBOs进行了深入的单细胞分辨率分析，鉴定出多个细胞亚群，并探讨了它们与大脑发育中特定细胞类型的关系。这些FeBOs细胞群体展现出与原组织相似的转录特征，证实了FeBOs在模拟人类胎儿大脑区域特异性和细胞多样性方面的能力。此外，通过与人类胎儿大脑组织的比较，研究进一步验证了FeBOs作为一个可靠的体外模型系统，用于研究人类大脑发育和相关疾病的潜力。

图5展示了FeBOs在扩张过程中维持的细胞外基质（ECM）微环境的建立和功能研究，以及对ECM扰动的响应。通过比较FeBOs和人类胎儿大脑组织的转录组和蛋白质组数据，研究发现FeBOs能够分泌与发育中的人类大脑相似的ECM组分。功能上，通过ECM扰动实验，例如使用特定的ECM降解酶或抑制剂，研究证实了FeBOs的生长和细胞组织受到ECM成分的调控。这些发现表明FeBOs提供了一个独特的平台，用于研究ECM在人类大脑发育和疾病中的作用，以及评估ECM靶向治疗的潜在效果。

图6探讨了FeBOs对形态因子信号的生理反应，特别是背侧和腹侧前脑FeBOs对BMP和Wnt信号的敏感性。通过在FeBOs中施加这些信号分子，研究发现背侧前脑FeBOs能够响应并增强其背侧身份特征的基因表达，而腹侧前脑FeBOs则没有表现出类似的反应，这表明FeBOs能够捕捉并维持其原生的区域特异性。此外，与PSC衍生的脑器官模型相比，FeBOs显示出独特的转录组反应，这可能反映了它们在细胞可塑性和区域身份方面的不同。这些结果突出了FeBOs作为研究人类大脑发育中区域化和形态因子作用的有力工具。

图7展示了通过CRISPR基因编辑技术在FeBOs中模拟脑肿瘤形成的能力和进行药物筛选的潜力。研究者们通过CRISPR-Cas9系统在FeBOs中引入了TP53、PTEN和NF1等癌症相关基因的突变，成功建立了能够模拟人类脑肿瘤的突变FeBOs系。这些突变FeBOs表现出了增长优势和克隆扩张能力，并且在与野生型FeBOs的共培养中展示了侵袭性行为。此外，通过药物处理，研究者们评估了突变FeBOs对特定药物的反应，如Nutlin-3a对TP53突变细胞的抵抗性和trametinib对NF1突变细胞的敏感性，证明了FeBOs作为一个平台，可用于研究肿瘤生物学和开发针对性治疗方法的有效性。

本研究成功建立了人类胎儿大脑类器官（FeBOs），这些类器官能够长期在体外自我组织和扩张，保持细胞异质性和组织样的细胞外基质（ECM）微环境。FeBOs能够捕捉并维持其起源组织区域的特定身份，对形态因子信号如BMP和Wnt表现出生理反应，并可通过CRISPR基因编辑技术进行脑肿瘤建模和药物筛选，为研究人类大脑发育、疾病机制和潜在治疗策略提供了一个强有力的平台。

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