论文ID
题目：Brain Chimeroids reveal individual susceptibility to neurotoxic triggers
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2024年6月26日
通讯作者单位：哈佛大学
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07578-8
主要内容：
人脑皮层的模型是通过组合来自多达五个供体的细胞而制作的。这种方法可以在大脑发育和疾病的研究中考虑遗传背景。
在基于3D细胞的组织模型（称为类器官）中表示遗传多样性，既是发育神经科学的挑战，也是愿望。作者描述一种方法，该方法依赖于混合来自不同人类供体的细胞来创建类器官，这些类器官是遗传嵌合体 - 称为嵌合体。
人类大脑的最外层，即大脑皮层，是一个非常复杂和错综复杂的结构，具有特殊的功能和精心策划的发育，这在哺乳动物中是独一无二的。在皮质发育过程中，遗传和环境因素可能导致神经发育障碍的脆弱性，然而，使人类皮层与众不同的每个特征也使研究具有挑战性。这是因为它与用于科学探究的模式生物（如啮齿动物、鱼类和苍蝇）的大脑截然不同。在过去的十年中，皮质类器官（源自干细胞的人类皮层发育模型）彻底改变了科学家研究人类皮层发育阶段的能力并确定突变如何驱动发育障碍。
该技术在很大程度上可以在制造的每“批”类器官之间以及干细胞系之间重复。尽管如此，探索遗传学如何影响大脑发育的规模，需要一个统一的实验平台，其中唯一的变量是遗传背景。
大多数皮质类器官是由诱导多能干细胞产生的，这些干细胞是经过重新编程的细胞，因此它们可以产生任何细胞类型。诱导多能干细胞可以从任何个体的血液或皮肤中产生。因此，当研究人员在使用来自不同个体的类器官的实验中观察到不同的结果时，就会出现一个问题，即这种差异是由于遗传变异还是用于生成类器官的实验过程中的细微差异。想象一下，三位面包师各自烘烤相同的蛋糕配方，但在不同的烤箱中，有时在不同的日子。如果味道或质地不同，这些差异是由面包师、烤箱、厨房之间的环境差异还是其他原因引起的？
Antón-Bolaños及其同事提出了一种对传统类器官培养方法的巧妙改编，以克服这一挑战。他们的解决方案Chimeroid允许将多个干细胞系（每个来自不同的供体）混合到单个类器官中，以统一实验条件。这类似于面包师在混合物中加入不同颜色的面糊，制成五颜六色的彩虹蛋糕。一种类似的概念方法，称为细胞村方法，已用于2D干细胞培养，可以在一个实验培养皿中研究数十种细胞系。然而，正如 Antón-Bolaños 等人。简单地将这种方法应用于3D皮质类器官会导致一个细胞系超过类器官，类似于一个五颜六色的彩虹蛋糕最终只剩下红色。
相反，作者发现，产生嵌合体的最有效方法是首先从每个干细胞系中分别形成类器官，直到细胞分化形成神经干细胞或神经祖细胞。然后，他们将类器官分解并重组（重新聚集）细胞，形成嵌合体，其中包含每个细胞系的平衡表示（图1）。
使用DNA和RNA测序方法，结合空间技术，可以可视化细胞系和细胞类型，作者表明，表征健康皮质类器官的“玫瑰花结”结构在嵌合体中可以很好地重组。玫瑰花结主要由单个细胞系组成，但偶尔也包含多种细胞系的混合物。去年的一项研究表明，破坏类器官形态（形状）和空间组织会导致发育时机受损8.作者发现，在他们的模型中，发育时间不受影响，这表明类器官模型的常见问题在他们的系统中并不是一个问题。
怀孕期间经常摄入乙醇（酒精）或丙戊酸（一种用于治疗癫痫的药物）与儿童的神经发育障碍有关。使用嵌合体，作者探索了这些化合物如何影响神经元发育。有趣的是，他们发现特定细胞类型的变化与临床结果一致，但效应的性质 - 通过基因表达谱的变化来衡量 - 在细胞系之间有所不同。这些发现不仅开始解释为什么这些类型的暴露在个体中不会以相同的严重程度表现出来，而且还强调了遗传背景会影响人类皮层发育的研究。这强调了嵌合体将为这些研究带来的均匀性和可扩展性的价值。
嵌合体是一种令人兴奋的工具，将在神经发育领域广泛采用，可能具有多种应用。来自类器官的细胞可以在解离和重新聚集中存活下来的发现为皮质类器官的实验可处理性的巨大扩展铺平了道路。例如，在传统的类器官培养物中，位于组织深处的祖细胞不会暴露于能够打开或关闭目标基因的试剂。在再聚集步骤中引入这种分子扰动意味着构成类器官的所有细胞都暴露在外，使研究人员能够评估大量细胞类型是如何受到影响的。
嵌合体还为细胞移植研究提供了机会，其中代表不同大脑区域、细胞谱系或细胞类型的类器官可以一起培养，以探索它们之间的相互作用。加入小胶质细胞将特别有用（中枢神经系统的免疫细胞）和形成血管的细胞进入类器官的中心，而不仅仅是在边缘，这在目前的常规方法中通常是这种情况。
在这项研究中，作者从多达五个干细胞系中产生了嵌合体。超越这个数字的能力既令人兴奋，又在后勤上令人生畏。目前的嵌合体方法要求干细胞在完全相同的时间线上培养以开始类器官形成，而重新聚集步骤需要几位经验丰富的科学家在单独的组织培养罩中并行工作，以确保来自每个细胞系的类器官保持在同一发育时间线上。类器官和干细胞在单细胞悬浮液中时对长时间延迟也很敏感，这是嵌合体形成的必要步骤。此外，需要将单细胞测序与全基因组测序配对以区分细胞系，这为实验流程增加了进一步的复杂性。
未来对系统的新增功能可以解决这些问题，并实现更大的可扩展性。例如，类器官“银行”可用于在重新聚集之前的中间阶段冷冻类器官，这将为实验时间表提供一定的灵活性。此外，DNA条形码（具有独特序列的DNA串）可用于标记每个细胞系，并在单细胞测序分析过程中更容易识别它们。然而，这项研究提出的概念和技术创新使生物学家更接近于产生完全代表人类遗传背景谱的类器官。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07578-8
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