不是“在培养皿中的大脑”:脑不及格组织体比较发育中的神经系统

广泛使用的类器官大脑是“糊涂”和“杂乱无章”新地图集的开发人脑相比

通过 尼古拉斯·魏勒

类器官大脑 - 3-d-像人类干细胞在实验室培养,常脑组织的球 - 是他们的吹捧,让科学家研究大脑的复杂在控制的实验室条件电路的潜在的形成。周围脑讨论organoids've大动感情,一些科学家建议将有可能他们快速开发毁灭性的脑部疾病的治疗和其他预警组织体,可能很快就意识臻某种形式。

但新的AG体育平台的研究提供了更内敛的角度来看,通过展示类器官也广泛使用的模型无法复制大脑发育和组织甚至基本功能,更复杂的脑部疾病或认知功能正常模型所需的复杂电路。

“有一些人骂为组织体‘在培养皿中的大脑’我们的数据,但是这是一个巨大的建议在这一点夸张,说:” 阿诺德kriegstein医学博士,神经学教授约翰·克宝区分干细胞和组织生物学教授,主任 AG体育平台礼和Edythe远大中心再生医学和干细胞研究,谁去过实验室在脑组织体模型的发展的领导者。 “那类器官,我们没有找到独特的细胞亚型发展区域组织或电路通常赋予人类的大脑回路。因为人类的大脑疾病大部分都是非常具体到单个细胞类型和电路在大脑中,这给努力,利用组织体,以精确建立这些复杂的条件了严峻的挑战。“

这项新的研究,发表一月29,2020年, 性质,出现了该实验室的出 正在进行的努力,全面映射基因表达程序编排的大脑发育 基于正常的人脑组织样本,一期工程为首的Kriegstein实验室的博士后研究员 阿帕娜bhaduri博士。该实验室的目的是使人类大脑发育的遗传图谱为可供普通大脑发育比较来发生的事情自闭症发育的大脑疾病,如歪斜的宝贵资源。

然而,另一个博士后研究员时, 马德琳·安德鲁斯博士,Bhaduri的数据进行比较,从发育中的大脑对实验室的组织体模型开始,她发现很快,在看到正常脑组织的精美组织发展方案在实验室的组织体被严重破坏。

没有发展的关键细胞类型,组织机构

在超过235,000的单个细胞从37个不同的类器官检索研究人员测量基因表达(自身生成的使用三种不同的实验室规程和四个不同的起始干细胞系)和比较这些基因表达模式以他们所看到的在约189,000大脑细胞从一个范围的脑区和发育正常的人类大脑发育的时间点。

microscopic image of brain development at 13 weeks
microscopic image of brain organoid at 5 weeks
一个开发人脑(第一)的脑组织体(二)在发展显示了可比期间的组织体那的细胞不堪的比较。 照片由Kriegstein实验室/AG体育平台

这种分析揭示ESTA而是正常分化成大脑的独特类型的细胞,组织体细胞似乎体验到正常的表达非常不同类型的细胞中发现的基因的鱼龙混杂的身份危机。起初,该组织体开发了结构类似于发育中的大脑的某些功能细胞的“玫瑰花”,但这些溶解细胞混杂的大杂烩快速。 “我们能够识别细胞类型的主要几大类,但亚型通常的多样性 - 这在神经回路的正常功能发挥关键作用 - 少了点,” Kriegstein说。

与已出版的在科学文献(超过276000个细胞的总数单独)八个不同的器官样的协议,以确保这些结果扩展到使Kriegstein实验室外使用类器官的其它常用方法,研究人员比较单细胞基因表达数据他们在发育中的大脑正常基因表达地图集。在任何情况下公布的组织体显示了同样的缺乏相应的发展成独特的细胞类型在实验室看到有他们自己的模型。

中央“大脑的能力丝一起不同的细胞进入高度结构化的类型与区域特色的线路不仅是大脑正常功能和认知,但它也是出差错以不同的方式在脑部疾病,自闭症,精神分裂症这些非常具体的电路和其他精神和神经疾病,“安德鲁斯说。

“之前,我们可以用它来研究这些疾病和组织体寻找潜在的治疗方法,我们需要确保卫生组织他们正在建模的大脑电路了影响,” Bhaduri补充。

减少细胞应激可以提高模型

它们添加到糊涂的发展规划,脑组织体异常所有车型的高水平表达的细胞“压力”的基因,它控制细胞的有害环境条件缺乏这种氧气的反应。研究人员推测加高细胞应激ESTA,可以通过使用时的组织体都在实验室中生长的方法引起的,可能是来自发展中的神经细胞类型和适当的区域组织在预防类器官。

阿诺德kriegstein博士

ESTA假设测试,来自发展中国家的研究人员在细胞接过类器官和移植他们到老鼠的大脑,以消除在实验室培养皿中生长造成应激。这自然更在上下文中,类器官细胞应激水平下降很快就到正规的水平,和正常发育程序开始重申自己。反之,当显影神经研究者们早组织,并试图增加其与各自的实验室组织体,应激基因成了更多的激活,而年轻的神经元开发的同类实验室的组织体看到身份危机。

这些结果表明,神经科学家的雄心在组织体复杂的大脑组织模型将需要的组织体是如何在实验室培养,以尽量减少细胞应激水平的一个显著的反思。

“不同的群组优化它们如何在许多不同的方式培养类器官,因此,事实上,我们看到整个组织体,这些问题从不同的实验室表明,它可能是要采取一个大的漂亮检修提高组织体最终会如何,”安德鲁斯说。 “这不会是一件容易的事,但我希望这些结果和阿帕娜那独特的脑发育的遗传程序的数据集通常会在正确的方向指向的领域。”

强调作者的类器官仍然可以在多种研究的有用工具并不需要准确地模拟其具体大脑回路或功能障碍,最近的一篇文章:如Bhaduri和同事 类器官用作方法来研究侵略性脑肿瘤胶质母细胞瘤的扩散 在实验室培养皿。 “这些结果是显而易见的,但是从组织体很远的重现真实发育中的大脑在实验室,” Bhaduri说。

作者: 在纸张上的其他作者是沃尔特mancia,黛安·荣格,大卫护腿,丹尼斯 - 阿伦,达纳荣,Schmunk加林娜,亚历克斯花粉,以及AG体育平台的托马斯·Nowakowski;马克西米利安Haeussler,的加州大学圣克鲁斯分校基因组研究所;和再生医学中心的汗萨尔玛和干细胞研究在大学阿加汗在巴基斯坦卡拉奇。

资金: ESTA研究是由美国支持美国国立卫生研究院(NIH)(u01mh114825,f32ns103266,k99ns111731),并通过卓越的CIRM干细胞基因组学(gc1r-06673-C)中心的加州再生医学研究所(CIRM)。

信息披露: 作者宣称没有财务或竞争利益。

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