《Nature》：3D大脑类器官面世!可绘制大脑发育图谱，识别基因开关，为脑类疾病研究带来希望

Treutlein和她的同事已经在不同时间点详细研究了大脑类器官中的数千个细胞。他们期望用分子遗传学术语来表征细胞

伴随类器官的高速发展，人们终于可以深度研究复杂的大脑，近日，瑞士苏黎世联邦理工学院就利用多能干细胞培育出三维大脑“类器官”，并在此基础上绘制了大脑类器官发育的多组学图谱，或可帮助科学家探索早期发育大脑，识别基因开关，测试脑部疾病药物等。

有人将大脑比作“三磅重的宇宙”，因为其中的神经元犹如银河系中恒星一般浩瀚，总数将近1000亿。无数科学家为这个复杂的“小宇宙”着迷，但是想要探索大脑，尤其是调节和指导其发育的基因和分子开关，却并非易事。

在过去，人们会通过动物模型（主要是小鼠）进行探究，但事实是—小鼠的大脑并不具备人脑典型的沟壑表面，因此，动物模型上的发现通常不能直接转移到人的身上，这限制了研究者对大脑的进一步理解及相关疾病（如自闭症和灰质异位症等）研究。

近日，为研究人类大脑发育背后的基因调控网络，瑞士苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系的Barbara Treutlein教授及其团队决定采用一条全新路径—利用多能干细胞培育出三维的大脑“类器官”，并在此基础上绘制大脑类器官发育的多组学图谱，揭示发育层次和命运决定的关键阶段，以及类器官内细胞的分子指纹。

类器官是一种由干细胞或器官祖细胞发育而来的，与体内的来源器官高度相似的“迷你器官”。本实验中脑部类器官由多能干细胞衍生而来，这是一类具有多向分化和自我更新能力的原始细胞，理论上，只要给予合适的诱导，它能进一步衍生为神经元。

实验中，这些干细胞聚集成了一个组织球，在适当的刺激之下，它们自组织并形成了具有复杂组织结构的三维脑类器官—不仅在形态水平上与人脑结构相当，在基因调控和模式形成水平上也是。

“这样的类器官将是研究人类发育生物学的绝佳方法。”Treutlein教授如此说道。

随后，研究团队在密集的时间里获得了类器官的单细胞转录组和可访问的染色质数据，包括神经上皮形成，模式，脑区域和神经发生，涉及数千个细胞。

大脑类器官发育的多组学图谱揭示了发育层次结构和命运决定的关键阶段

整个过程会产生庞大的数据库，要知道，这些大小只有毫米之间的类器官是由数千个细胞组成的，而每个细胞都有20000个基因。共同主要作者之一Jonas Fleck说：“我们只能在程序和机器的帮助下学习。”他们开发了Pando GRN推理框架，结合了多组学数据和转录因子结合位点的预测，以推断描述类器官发育的全基因调控网络。

Fleck接着补充道：“我们可以用它来为每个基因生成一个完整的相互作用网络，并预测当该基因失败时真实细胞中会发生什么。”

系统地识别对大脑类器官不同区域的神经元发育有重大影响的遗传开关”是本研究的要目的在 CRSPR-Cas9基因编辑技术的帮助下,研究者可以选择性地关闭细胞的基因,以发现各个基因在大脑类器官的发育中发挥的作用。

来自人类干细胞的脑类器官在荧光显微镜下：蛋白质GLI3被染成紫色，并在类器官的前脑区域标记神经元前体细胞。神经元被染成绿色。（照片：F. Sanchís Calleja， A. Jain， P. Wahle / ETH Zürich）

本实验中，研究者就深度探索了GLI3基因。在小鼠中，GLI3基因控制着啮齿动物端脑中背腹命运规范，如若突变，会导致中枢神经系统畸形。与之相对的，GLI3基因在人类神经元发育中的作用还尚未被探索，只知道它与Greig头多指综合征、帕利斯特霍尔综合征相关联。

而通过CRISPR-Cas9基因编辑，研究者证明了GLI3基因在人类身上也同样操控着背端脑细胞命运规范，并进一步确定了GLI3在MGE和LGE / CGE神经元分配过程中的贡献。因此，研究者认为：此人脑类器官可以成为预测模型系统。

Treutlein教授的研究并不止于研究基本的发育生物学，在她看来，这些由人类细胞组成的类器官有个天然的优点——研究结果可以直接转移到人类身上，可用于研究基因在疾病或发育性脑障碍中的作用。

当前，Treutlein和她的同事正在利用这种脑部类器官研究自闭症和灰质异位症的遗传原因。

与此同时，这种类器官还可以测试药物，它能绕过与人类种属不同的小鼠，用患者实际的“脑部分身”来测试药物的效用与毒性。

当然，培养大脑类器官是十分耗费时间和精力的一件事，每一团细胞都是单独发育而成，缺乏标准化的发育方式。因此，Treutlein和她的团队正在努力改进这种脑部类器官并使其制造过程自动化。

事实上，脑部类器官只是再生医学发展中的一个掠影。自2006年，日本京都大学山中伸弥研发iPSC技术伊始，再生医学的发展就被按下了加速键。

在短短十几年里，我们陆续看到了心脏、肠道、肝脏、胰腺、胃、输卵管、肺、子宫内膜等等类器官。这些“微型器官”在疾病研究、药物测试、器官发育、精准医疗等方面表现出巨大的潜力。例如在个性化癌症治疗方面，类器官可化身为患者的“试药替身”，让患者提前测试化疗药、靶向药、单抗药等治疗方法的效用，为患者在短时间内争取到更为精准有效的疗法。

总的来说，再生医学的发展正颠覆着我们以往的医疗常识，为无数患者打开了新的天地。

参考资料：

[1] Inferring and perturbing cell fate regulomes in human brain organoids. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05279-8.

[2]https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2022/10/mapping-human-brain-development.html.