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本研究将HUVECs和人胚胎干细胞进行3D类脑器官共培

2020-05-21 18:09 - 查看:
类脑器官培养技术与传统的二维培养方法相比,三维类脑器官具有与人脑类似的结构,且能够很好地模拟细胞类型及神经环路等特征。因此,三维类脑器官近年来,越来越多的应用于探

  类脑器官培养技术与传统的二维培养方法相比,三维类脑器官具有与人脑类似的结构,且能够很好地模拟细胞类型及神经环路等特征。因此,三维类脑器官近年来,越来越多的应用于探究人脑早期发育的研究中。另外,类脑器官在探究疾病的病理机制和高通量药物筛选等方面也展现出了广阔的应用前景。但由于脑与和血管的共同发育的重要性,缺乏循环系统,特别是内皮系统的参与,类脑器官不能进行长期培养。

  中科院生物物理研究所王晓群课题组长期深耕脑的发育与功能领域, 近年来,该课题组对于人大脑皮层胚胎发育期间细胞类型与细胞特征进行了系统分析,并揭示了人脑神经元在胚胎发育期快速增长并产生沟回的调控机制 (Liu et al., 2017; Zhong et al., 2018)。跨物种研究表明,人类及非人灵长类动物的大脑皮层发育呈现出了有别于其他低等动物(如啮齿类)的一些特点,例如出现了包含大量oRG神经前体细胞和IPC中间神经前体细胞的外侧脑室下区(OSVZ区)(wang et al., 2011),这些神经前体细胞种类的多样性和丰富的数量促进了神经元的高速产生,为人脑的复杂功能发育提供了细胞基础。为了深入研究该领域,王晓群课题组早在2012年首先开发了类脑皮层培养的技术的建立与发展,并应用该技术在体外模拟了ASPM基因突变引起的头小畸形症发育和发展过程以及病理特征 (Li et al., 2017)。

  2020年5月 13日,中国科学院生物物理研究所王晓群研究员联合北京师范大学吴倩教授在Plos Biology杂志上发表了题为Vascularized human cortical organoids (vOrganoid) model cortical development in vivo的论文。该研究通过共培养人胚胎干细胞(或人多能干细胞)和人脐静脉内皮细胞(HUVECs)建立了一种获得血管化类脑器官的方法,很好地解决了限制类脑器官长期发育的氧气和营养物质缺乏问题。该研究还证实了HUVECs血管网络能够加速类脑器官的成熟发育,使其更早的达到成熟状态。而进行体内移植之后,类脑器官血管网络中的内皮细胞可以整合到宿主小鼠的血管中而形成新的有血液流动的功能性血管网络。

  本研究将HUVECs和人胚胎干细胞进行3D类脑器官共培养,发现HUVECs可以在类脑器官中连接形成具有通透能力的复杂血管网络,且形成的血管网络可以在超过200天的类脑器官中稳定存在。免疫荧光染色显示,血管化类脑器官具有多种神经干细胞富集的脑室区、脑室下区和外侧脑室下区,以及新生神经元富集的皮质板区。同时,还可以看到与人胚胎期皮层类似的兴奋性神经元分层排布而且中间散布着多种中间神经元。单细胞RNA测序发现血管化类脑器官的细胞类型具有多样性,并且各个细胞类型的转录组模式与人脑中的对应细胞类型高度相似,进一步说明了其与皮层的相似性。此外,膜片钳全细胞记录表明血管化类脑器官中的神经元能够发放动作电位,并建立广泛的电突触及化学突触联系。这些结果说明,本研究建立的血管化类脑器官在细胞类型、细胞排布、转录组模式及电生理特性等方面都很好地模拟了人胚胎期大脑皮层的特征,因此是研究人皮层发育及相关疾病的良好模型。

  类脑器官有望在未来应用于脑疾病的深入研究或治疗,例如脑外伤的治疗应用。因此,为了探究类脑器官在移植中应用的可能性,作者将血管化的类脑到免疫缺陷小鼠的S1脑区。结果发现类脑器官血管网络可以整合到宿主小鼠的血管中形成新的有血液流动的功能性网络,同时减少了移植物的细胞凋亡。

  综上所述,该研究通过共培养人胚胎干细胞/多能干细胞和人脐静脉内皮细胞建立了一种获得血管化类脑器官的方法,很好地解决了限制类脑器官长期发育的氧气和营养物质缺乏问题。另外,内皮细胞建立的血管网络可以加快类脑器官的发育进程,促进神经发生,使其更早地达到成熟状态,从而有效的解决了类脑器官成熟慢和发育周期长的问题。通过体内移植实验,本研究还首次证实了类脑器官血管网络可以整合到宿主小鼠中并形成新的有血液流动的功能性血管网络。血管化类脑器官的建立将为实现类脑器官的优化培养、促进其功能成熟,以及为建立体外三维血脑屏障模型提供新的研究思路及方案,具有重要的生物学和医学应用潜力。

  原标题:《【科技前沿】王晓群组建立血管化类脑器官培养方法,可用于研究人皮层发育及相关疾病》

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