常见食品添加剂解决了数十年的神经科学难题

一种食品添加剂使脑类器官的大规模生产成为可能。研究人员现在可以研究发育……

　　

一种食品添加剂使脑类器官的大规模生产成为可能。研究人员现在可以大规模研究发育和疾病。

吴仔神经科学中心（Wu Tsai Neuro）的跨学科研究小组致力于研究人类神经元簇（即类器官），旨在拓展他们的研究范围，探究更宏大的科学问题。答案就在他们身边。

近十年来，斯坦福大学脑器官发生项目（Brain Organogenic Program）不断推进着一种革新性的大脑研究方法。该项目团队不再依赖人类或动物的完整脑组织，而是利用干细胞在实验室中培育出三维类脑结构，并制造出被称为人类神经类器官和组装体的模型。

该项目于 2018 年启动，是吴蔡神经科学研究所“神经科学大创意”计划的一部分，联合神经科学家、化学家、工程师和其他专家，研究疼痛通路、神经发育障碍的遗传驱动因素以及探索大脑回路的创新方法等领域。

然而，一个持续存在的挑战限制了研究的进展：规模。为了更深入地了解大脑发育，揭示发育障碍的根源，并有效地测试新的治疗方法，研究人员需要能够同时生成数千个大小和形状一致的类器官。

解决粘性问题

困难在于神经类器官容易聚集在一起，这使得研究人员无法大量生产大小和形状均匀的神经类器官。

为了解决这个问题，由吴蔡神经科学中心附属机构Sergiu Pasca（医学院Kenneth T. Norris, Jr.精神病学和行为科学教授）和Sarah Heilshorn（工程学院Rickey/Nielsen教授）领导的一组神经科学家和工程师找到了一个出人意料的简单解决方案。正如他们在6月27日发表在《自然生物医学工程》杂志上的报告中所述，关键在于黄原胶，一种广泛使用的食品添加剂，可以保持类器官分离。

“我们现在可以轻松制造10,000个这样的胚胎，”斯坦福脑器官发生项目的邦妮·乌伊滕苏（Bonnie Uytengsu）和家族主任帕斯卡（Pasca）说道。为了履行该项目致力于广泛推广其技术的承诺，他们已经分享了他们的方法，以便其他人能够利用它。“与我们所有的方法一样，这种方法是开放且可免费获取的。目前已有众多实验室实施了这项技术。”

脑类器官研究的早期阶段

扩大规模的道路并非总是一帆风顺。大约十二年前，帕斯卡刚刚建立了一种将干细胞转化为三维类脑组织（现在被称为区域化神经类器官）的方法。当时，他只能生产少量的早期模型。

“早期我有八九个这样的娃娃，我用神话中的生物给它们命名，”帕斯卡回忆道。

复制
<p>然而，帕斯卡的最终目标是深入了解大脑发育的机制，尤其是可能导致自闭症或蒂莫西综合征等疾病的发育过程。他还对利用类器官测试药物对大脑发育的潜在副作用感兴趣。为了探究这些问题，他解释说：“我们需要生产数千个类器官，而且它们应该完全相同。”p>
<p>他深知，要取得进步，需要跨学科的合作。“我想，‘这是一个新兴领域，我们将面临很多问题，而我们应对和解决这些问题的方法就是运用创新技术，’”帕斯卡说道。p>
<p>怀揣着这一愿景，他与吴仔神经中心的神经科学家兼生物工程师Karl Deisseroth合作，组建了一支专家团队。在吴仔神经中心“神经科学大创意”计划的支持下，他们共同启动了斯坦福脑器官发生计划。p>
<h>
 不粘解决方案问世
 <p>粘性问题很快就出现了。类器官相互融合，导致数量减少，形状和大小各异。p>
 <p>“实验室里的人经常会说，‘我制作了一百个类器官，但最后只得到了二十个，’”帕斯卡说。p>
 <p>这既是福也是祸。一方面，它表明研究人员可以将两种不同的类器官（比如，微小的小脑和脊髓）粘合在一起，以研究更复杂的大脑结构的发育。事实上，这些类器官现在是<a href="https://neuroscience.stanford.edu/news/here-come-assembloids">帕斯卡及其同事研究的关键部分a>。p>
 <p>另一方面，该团队仍然需要能够创建大量的类器官，以便他们能够收集有关大脑发育的精确数据，筛选治疗生长缺陷的药物，或大规模开展任何其他项目。p>
 <p>一种可能性是将每个类器官分别在单独的培养皿中培养，但这样做通常效率低下。实验室需要一些东西来在批量培养类器官时将它们分开，因此帕斯卡与斯坦福大学脑器官发生项目合作者兼材料工程师海尔斯霍恩合作，尝试了一些方案。p>
 <p>该团队最终研究了 23 种不同的材料，希望其他人能够使用他们的方法。p>
 <p>“We selected materials that were already considered biocompatible and that would be relatively economical and simple to use, so that our methods could be adopted easily by other scientists,” Heilshorn said.p>
 <p>To test each one, they first grew organoids in a nutrient-rich liquid for six days, then added one of the test materials. After another 25 days, the team simply counted how many organoids remained.p>
 <p>Even in small amounts, xanthan gum prevented organoids from fusing together, and it did so without any side effects on organoid development. That meant that researchers could keep the organoids separated without biasing their experimental results.p>
 <h>
  Scaling up to drug testing
  <p>To demonstrate the potential of the technique, the team used it to address a real-world issue: Doctors often hesitate to prescribe potentially beneficial drugs to pregnant people and babies because they don’t know whether those drugs might harm developing brains. (Although FDA-approved drugs go through extensive testing, ethical concerns mean they are generally not tested on pregnant people or babies.)p>
  <p>To show how organoids address that problem, co-lead author Genta Narazaki, a visiting researcher in Pasca’s lab at the time the research was done, first grew 2,400 organoids in batches. Then, Narazaki added one of 298 FDA–approved drugs to each batch to see if any of them might cause growth defects. Working closely with co-lead author Yuki Miura in the Pasca lab, Narazaki showed that several drugs, including one used to treat breast cancer, stunted the growth of the organoids, suggesting they could be harmful to brain development.p>
  <p>That experiment shows that researchers could uncover potential side effects—and do so very efficiently, Pasca said: “One single experimenter produced thousands of cortical organoids on their own and tested almost 300 drugs.”p>
  <p>Pasca and his Stanford Brain Organogenesis Program colleagues are now hoping to use their technique to make progress on a number of neuropsychiatric disorders, such as autism, epilepsy, and schizophrenia. “Addressing those diseases is really important, but unless you scale up, there’s no way to make a dent,” Pasca said. “That’s the goal right now.”p>
 h>
h>
h>