新方法，來自胎兒組織的腦類器官接受CRISPR，使腫瘤建模成為可能

由公主Máxima兒科腫瘤學(xué)中心和Hubrecht研究所領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)已經(jīng)從人類胎兒腦組織中開發(fā)出3D微型器官，這些器官可以在體外自我組織。研究人員表示，實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的人類胎兒腦類器官(FeBOs)為研究大腦發(fā)育提供了新的方法，也為研究與大腦發(fā)育有關(guān)的疾病的發(fā)展和治療提供了新的途徑，包括腦腫瘤。

公主Máxima兒科腫瘤學(xué)中心的研究聯(lián)合負(fù)責(zé)人Benedetta Artegiani博士在評論這項(xiàng)工作時(shí)說:“來自胎兒組織的腦類器官是研究人類大腦發(fā)育的寶貴新工具。我們現(xiàn)在可以更容易地研究發(fā)育中的大腦是如何擴(kuò)張的，并觀察不同類型的細(xì)胞及其環(huán)境的作用。我們新的組織衍生的大腦模型使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。它還可以幫助理解這一過程中的錯(cuò)誤如何導(dǎo)致小頭癥等神經(jīng)發(fā)育疾病，以及其他可能源于發(fā)育異常的疾病，包括兒童腦癌。”

Artegiani和他的同事在《Cell》雜志上發(fā)表了一篇題為《Human fetal brain self-organizes into long-term expanding organoids》的論文。

科學(xué)家們在實(shí)驗(yàn)室中使用不同的方法來模擬健康組織和疾病的生物學(xué)。這些包括細(xì)胞系、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，以及最近的3D類器官或微型器官。類器官具有一些特性和一定程度的復(fù)雜性，使科學(xué)家能夠在實(shí)驗(yàn)室中密切模擬一個(gè)器官的功能。

作者進(jìn)一步解釋說:“人類類器官是干細(xì)胞衍生的三維(3D)結(jié)構(gòu)，模仿相關(guān)組織的特征，包括分子特征、細(xì)胞組成和結(jié)構(gòu)以及功能。類器官可以直接由組織細(xì)胞形成。科學(xué)家還可以引導(dǎo)胚胎干細(xì)胞，或來自某些成人組織的干細(xì)胞或胚胎來源的干細(xì)胞，發(fā)育成他們想要研究的器官。兩種來源的干細(xì)胞可用于獲得類器官:多能干細(xì)胞(PSCs)和組織干細(xì)胞(TSCs)。”

到目前為止，大腦類器官是通過誘導(dǎo)胚胎干細(xì)胞或多能干細(xì)胞生長成代表大腦不同區(qū)域的結(jié)構(gòu)而在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)出來的。“到目前為止，大腦類器官只能由多能干細(xì)胞建立，”研究人員指出。研究人員利用一種特定的分子混合物，試圖模擬大腦的自然發(fā)育。

Artegiani和他的同事現(xiàn)在已經(jīng)報(bào)道了直接從人類胎兒腦組織中發(fā)育出腦類器官的情況。研究小組證明，使用小塊胎兒腦組織，而不是單個(gè)細(xì)胞，對培養(yǎng)大腦類器官至關(guān)重要。為了培育其他微型器官，如腸道，科學(xué)家通常會(huì)將原始組織分解成單個(gè)細(xì)胞。相反，研究小組發(fā)現(xiàn)胎兒腦組織的小塊可以自我組織成腦類器官。

這些結(jié)構(gòu)，每個(gè)大約一粒米大小，展示了一個(gè)復(fù)雜的3D組成，包括許多不同類型的腦細(xì)胞。重要的是，腦類器官含有許多外放射狀膠質(zhì)細(xì)胞——一種在人類和我們的進(jìn)化祖先身上發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞類型。這強(qiáng)調(diào)了類器官與人腦的相似之處，以及在研究人腦方面的實(shí)用性。

腦組織碎片也產(chǎn)生了構(gòu)成細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的蛋白質(zhì)——細(xì)胞周圍的支架。研究小組認(rèn)為，這些蛋白質(zhì)可能是大腦組織碎片能夠自組織成3D大腦結(jié)構(gòu)的原因。研究人員指出:“值得注意的是，我們研究的一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，組織完整性的保存以及天然細(xì)胞-細(xì)胞相互作用似乎有助于產(chǎn)生適當(dāng)?shù)慕M織樣ECM生態(tài)位，我們假設(shè)這可能對維持長期擴(kuò)張很重要。”類器官中細(xì)胞外基質(zhì)的存在將使研究腦細(xì)胞的環(huán)境以及出現(xiàn)問題時(shí)會(huì)發(fā)生什么成為可能。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，組織衍生的類器官保留了它們產(chǎn)生的大腦特定區(qū)域的各種特征。他們寫道:“FeBO可以從中樞神經(jīng)系統(tǒng)的不同部分衍生出來，同時(shí)在很長一段時(shí)間內(nèi)廣泛地捕捉到原始的區(qū)域特征。FeBO線來自中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)的不同區(qū)域，包括前腦的背側(cè)和腹側(cè)，保留了它們的區(qū)域特征，并允許探測位置特征的各個(gè)方面。”由此產(chǎn)生的類器官被證明對已知在大腦發(fā)育中起重要作用的信號分子有反應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)表明，組織來源的類器官可以用于進(jìn)一步探索和潛在地解開參與指導(dǎo)大腦發(fā)育的復(fù)雜分子網(wǎng)絡(luò)。

考慮到組織衍生類器官快速擴(kuò)張的能力，研究人員還研究了它們在腦癌建模中的潛在效用。他們使用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)在類器官的少數(shù)細(xì)胞中引入了癌癥基因TP53的缺陷。他們發(fā)現(xiàn)，三個(gè)月后，TP53缺陷細(xì)胞已經(jīng)完全超過了類器官中的健康細(xì)胞。這些細(xì)胞有效地獲得了生長優(yōu)勢，這是癌細(xì)胞的典型特征。

研究人員還使用CRISPR-Cas9關(guān)閉了與腦腫瘤膠質(zhì)母細(xì)胞瘤相關(guān)的三個(gè)基因——TP53、PTEN和NF1。這些突變的類器官對現(xiàn)有癌癥藥物的反應(yīng)可以被評估。這些結(jié)果顯示了將類器官用于癌癥藥物研究，將某些藥物與特定基因突變聯(lián)系起來的潛力。“我們進(jìn)一步證明了使用FeBO培養(yǎng)系統(tǒng)來解決與疾病相關(guān)的問題，”作者說。“特別是，具有明確基因組成的可擴(kuò)展CRISPR突變的FeBO系可以作為自下而上的癌癥模型生成。這樣的突變FeBO系代表了可擴(kuò)展和可重復(fù)的系統(tǒng)，適用于大量的功能篩選，包括突變藥物敏感性分析。”

組織來源的類器官在培養(yǎng)皿中持續(xù)生長了6個(gè)多月。重要的是，科學(xué)家們可以繁殖它們，使他們能夠從一個(gè)組織樣本中培養(yǎng)出許多相似的類器官。研究人員指出:“FeBO可以通過切割整個(gè)類器官來可靠地傳代，每一個(gè)FeBO片段都能持續(xù)地改造整個(gè)類器官，在培養(yǎng)的20-30天內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定擴(kuò)大的FeBO細(xì)胞系。總的來說，FeBO細(xì)胞系擁有一個(gè)活躍的干細(xì)胞/祖細(xì)胞庫，在反復(fù)分裂的情況下，它們能夠長期擴(kuò)張，同時(shí)通過產(chǎn)生神經(jīng)元細(xì)胞，捕獲廣泛的細(xì)胞異質(zhì)性和組織，提供組織起源的‘快照’。”

具有膠質(zhì)母細(xì)胞瘤基因變化的微型腫瘤也能夠繁殖，保持相同的突變組合。這一特征表明，科學(xué)家將能夠?qū)M織來源的類器官進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，從而提高他們發(fā)現(xiàn)的可靠性。

接下來，研究人員的目標(biāo)是進(jìn)一步探索新的組織來源的類腦器官的潛力，并計(jì)劃繼續(xù)與生物倫理學(xué)家(他們已經(jīng)參與了這項(xiàng)研究的形成)合作，指導(dǎo)新的類腦器官的未來發(fā)展和應(yīng)用。

研究共同負(fù)責(zé)人Delilah Hendriks博士，公主Máxima兒科腫瘤學(xué)中心附屬小組組長，Hubrecht研究所博士后研究員和Oncode研究員評論道。“這些新的胎兒組織衍生的類器官可以為大腦不同區(qū)域的形成以及細(xì)胞多樣性的產(chǎn)生提供新的見解。我們的類器官是腦類器官領(lǐng)域的重要補(bǔ)充，可以補(bǔ)充現(xiàn)有的由多能干細(xì)胞制成的類器官。我們希望從這兩種模型中學(xué)習(xí)，以解碼人類大腦的復(fù)雜性。能夠繼續(xù)生長和使用胎兒組織中的腦類器官也意味著我們可以從這些珍貴的材料中學(xué)習(xí)到盡可能多的東西。我們很高興能夠探索使用這些新的組織類器官來發(fā)現(xiàn)人類大腦的新發(fā)現(xiàn)。”

研究共同負(fù)責(zé)人Hans Clevers博士補(bǔ)充說，他是類器官研究的先驅(qū)，也是Hubrecht研究所和公主Máxima兒科腫瘤學(xué)中心和Oncode調(diào)查員的前研究小組負(fù)責(zé)人，“通過我們的研究，我們正在為類器官和大腦研究領(lǐng)域做出重要貢獻(xiàn)。自從我們在2011年開發(fā)出**個(gè)人類腸道類器官以來，很高興看到這項(xiàng)技術(shù)真正取得了進(jìn)展。從那時(shí)起，類器官已經(jīng)被開發(fā)用于人體幾乎所有的組織，包括健康的和患病的，包括越來越多的兒童腫瘤。到目前為止，我們能夠從大多數(shù)人體器官中獲得類器官，但不能從大腦中獲得——我們現(xiàn)在也能夠跨越這一障礙，這真的很令人興奮。”

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