Nature：科学家构建首个有功能的人类大脑皮层3D模型

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Nature：科学家构建首个有功能的人类大脑皮层3D模型
8 B  R$ a8 ]3 r  U6 R! g( d; |来源：生物360 / 作者：kevin_hdep21投稿 / 2015-06-01
# a- {- v$ A. c7 F- F5 I, G6 c5 N导读：人类大脑皮层在由一系列连续的精细复杂的细胞事件中发育形成。当今科技的进步使人类有能力在体外将体细胞分化为多能干细胞，为深入研究正常和异常大脑皮质创造了难得的机会。科学家之前可以用未成熟神经元构建二维神经细胞集落，但得到无功能的二维大脑皮层模型，构建复杂模型就要经过十分困难且费劲的工艺流程。最近斯坦福大学科学家发明一种简单便捷的3D培养技术，使体外iPS细胞分化形成的神经细胞组装成有功能的大脑皮层样球面体。至此人类首次在体外创造可供神经精神病学研究的人类大脑皮层功能性3D模型。
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人类大脑是一个高度组织、三维分布的细胞群体，负责“指挥”我们的每一个动作、想法和情感。大脑皮层对我们感知和体验周围世界以及建立人际联系起到关键作用，是大脑主要的功能性组织之一。然而颅骨是一个多骨骼封闭的结构，使得人类比较难接触到大脑并进行深入研究。科学界急需构建一个可供体外研究的三维大脑皮层模型。先前的科学家尝试过构建患者特异性的神经组织，但只能用未成熟神经元构建二维的神经细胞集落，或者需要在一系列费劲的技术上有困难的细胞扩增步骤中添加支持细胞生长的细胞外基质，以构建复杂的皮层模型。  D5 a. A% B" ^4 Q3 L1 |  L2 p
最近斯坦福大学科学家发明一种简单便捷且实验再现性好的新型3D培养法，利用人类多能干细胞体外分化的神经细胞构建一个有功能的大脑皮层3D球面体模型，称之为人类大脑皮层球状体（hCSs，human cortical spheroids)。
( m2 A' R1 X+ E) d+ q; x" ^! O% Q% \  L这种人类大脑皮层球状体具有类似于大脑皮层的分层结构，相当于胎儿发育期的大脑皮层模型。hCSs中特定类型的神经细胞呈高度有序的三维排列，其中的神经元由非活性星形胶质细胞包被着，属于电生理成熟型神经元，可自发表现神经元活性，形成了有功能的突触结构。& i8 w6 A8 P, |, T1 ^0 ]6 d) C
切片研究证明，hCSs可以表现出复杂的神经网络活性，产生一些突触相关事件，即具有类似于大脑皮层的功能。研究人员发现多达80%的神经元在接受刺激是产生膜电位变化。更重要的是，86%的神经元自发产生神经信号通路，自我驱动神经网络活动。科学家刺激切片的一个侧面，可以在另一面检测到皮层信号。
' f: f% p4 ~$ t! S/ C/ V如何构建hCSs功能性3D模型?
% k) V" y5 u7 [$ ]本研究中科学家仅仅利用一个人类皮肤样本就能培养出几百个功能性hCSs，与科学家先前构建的简单皮层模型和复杂工艺形成鲜明对比。这些hCSs可生长到ø5mm大小，在实验室条件下存活9个月或以上。他们的新工艺流程如下图所示：9 S* ~! q1 @# N4 c: N$ _4 \

& r9 i& R7 A3 N3 Z+ Y5 {' O# {具体步骤：' u' A: C: Q# D- C  v+ v% w. S
科学家从来自五人的皮肤样本诱导制备7个批次的iPS细胞。
, \9 J9 Q- y$ N1 e; r在培养皿中培养出二维的iPS细胞集落后，将其转移到经特殊处理使细胞难以贴壁的培养皿中，细胞集落几小时后形成球面结构。
( s( B2 q/ m: p* i用多种生长因子和小分子组合处理球面型细胞集落，促进iPS细胞分化为神经祖细胞。
- _# p* n" l/ A0 s, }7 w/ g培养大概7周后，80%球面形集落的细胞表达神经组织分泌的蛋白。& C' Z7 g: W; J' |% S% `  x% {  V- k
继续培养，直到其他细胞表达正常组织中突触周围的星形胶质细胞分泌的特异性蛋白。9 m" h8 u# x- ?' V% L; K# ]  @3 N+ J
大脑皮层3D模型宣告成功：成熟而且有功能。
6 v$ S9 U( K  Z+ X+ E" d科学家有才就是任性，依靠各种分子信号途径作为线索并利用别人难以掌握的一手资料开展研究工作。本研究第一作者，斯坦福大学精神病学和行为科学系助理教授，医学博士Sergiu Pasca 说：“一旦开始构建hCSs模型，剩下的工作就交给细胞自己去完成了。” 简单≠草草了事，实现突破才是硬道理。下面看看，hCSs功能性3D模型的用途吧。
2 T* `  }! q% n: N8 Y3 RhCSs功能性3D模型有哪些用途？; R# C! O# K3 c1 _4 B& z" Y- X
该3D模型使人类可以用于深入探究大脑发育、功能表现与疾病发生发展过程。
% k  f- y8 @# S( r3 ~9 @Sergiu Pasca说：“理解精神障碍疾病的一大困难是我们无法直接接触活人的大脑。”尸体解剖或研究大脑样本，只能让医学研究人员感受大脑结构，而无法考察功能。尽管机能性核磁共振成像等先进技术帮助科学家在大脑功能研究方面开拓视野，但他们仍然不能近距离个性化考察对大脑功能至关重要的复杂的神经网络。/ f# T9 ]: @# j! p# r
本研究提示，我们可以通过实时追踪这种皮层状球面体的形成过程，考察其细胞间相互作用关系来阐明大脑发育的详细过程以及自闭症、抑郁症和精神分裂症等神经精神疾病发生发展的分子机制。Sergiu Pasca说：“这种球面体非常类似于大脑皮层的3D构造，可以模拟发育中胎儿大脑的基因表达模式。”研究分子机制，要的就是这样的模型，如同胎儿大脑发育一样具有转录组和蛋白质组变化的功能性大脑皮层3D模型。! z* P% B4 g( j$ h- D% Z/ m
科学家称，本研究使用的新方法具有超凡的‘能量’并充满希望。如对于发育相关的大脑功能障碍症，科学家可以通过培养皿培养的任何患者皮肤细胞分化形成的大脑皮层3D模型来重现大脑发育过程，以准确指出哪些发育步骤出现失误以及如何进行修复。又如对于阿尔兹海默症，科学家可通过一样的实验来确定哪些生理过程出现障碍，使得神经元或神经胶质细胞有异常。0 x' m4 y* @  W6 t4 [% E
hCSs可以作为一个多功能平台帮助体外生产其他神经细胞和胶质细胞亚型。5 ?2 d' I: j" ^. @/ a% Y$ W
星形胶质细胞对于神经信号通路的形成确实必不可少，然而同时有效制备神经元和星形胶质细胞是一直一项巨大的挑战。一直以来，科学家利用啮齿类动物或人类胎儿组织来获取星形胶质细胞，并尝试在这些细胞上面培养神经元细胞。直到现在，科学家基于本研究终于可以抛开老鼠模型，放下伦理的包袱，来同时生产相互连接的人类功能性神经元和神经胶质细胞。这些细胞无论用于基础科学研究还是临床应用研究，都可发挥重要作用。
* B' W) X1 v' M. ~* p此外科学家可参照本方法研发人造神经组织或其他组织/器官，在再生医学、器官移植方面取得更大进步。
5 Z' y1 L: d  m! g( t( t有hCSs作为经典范例，加上如今不断成熟的3D生物打印技术，体外培养神经组织或其他组织/器官将变得更加容易，经继续不断的优化可达到基础研究甚至临床应用的要求。8 _0 A$ j2 R& j& z/ V( I1 a
总之，hCSs是人类首次在体外创造可供神经精神病学研究的，极具研究价值和医学应用前景的人类大脑皮层功能性3D模型。本研究的科学家希望更多研究人员以本研究为切入点研究人类大脑发生发育过程和大脑功能。从长远来看，他们更希望能帮助各种神经障碍疾病的患者恢复健康。
. D7 s% h$ s" m$ c' m  F* {; ~参考阅读：
; r0 o0 R- ^2 G. S2 j1.http://med.stanford.edu/news/all-news/2015/05/tiny-spheres-of-human-cells-mimic-the-brain.html
3 W& E" W5 D% |$ B2 l$ i2.Anca M Paşca, Steven A Sloan, Laura E Clarke, Yuan Tian, Christopher D Makinson, Nina Huber, Chul Hoon Kim, Jin-Young Park, Nancy A O'Rourke, Khoa D Nguyen, Stephen J Smith, John R Huguenard, Daniel H Geschwind, Ben A Barres & Sergiu P Paşca，Functional cortical neurons and astrocytes from human pluripotent stem cells in 3D culture，Nature Methods(2015)doi:10.1038/nmeth.34151 A$ e8 A9 H9 Y1 R, k; N1 H
Abstract- U& I( n3 X3 L; C$ {, p
The human cerebral cortex develops through an elaborate succession of cellular events that, when disrupted, can lead to neuropsychiatric disease. The ability to reprogram somatic cells into pluripotent cells that can be differentiated in vitro provides a unique opportunity to study normal and abnormal corticogenesis. Here, we present a simple and reproducible 3D culture approach for generating a laminated cerebral cortex–like structure, named human cortical spheroids (hCSs), from pluripotent stem cells. hCSs contain neurons from both deep and superficial cortical layers and map transcriptionally to in vivo fetal development. These neurons are electrophysiologically mature, display spontaneous activity, are surrounded by nonreactive astrocytes and form functional synapses. Experiments in acute hCS slices demonstrate that cortical neurons participate in network activity and produce complex synaptic events. These 3D cultures should allow a detailed interrogation of human cortical development, function and disease, and may prove a versatile platform for generating other neuronal and glial subtypes in vitro.
) K9 H+ e; y. n' h; S8 G; A

果小胖儿

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