Nature：大脑和类器官并排摆放

近15年来，研究人员一直在构建被称为类器官的三维生物微结构，涵盖心脏、肠道和大脑等多个领域。这些模型使得研究人员能够在一个独立的系统中研究器官发育的特定问题。奥地利科学技术研究所（ISTA）的Hippenmeyer研究组近日在《自然》杂志上发表了他们首个小鼠大脑皮层类器官模型，从而为研究大脑皮层在培养皿和活体生物体内的发育提供了新的视角。

　　

十多年前，科学家们通过构建看似普通的细胞团，重新定义了器官发育的研究方法。他们将这些细胞团命名为类器官：一种利用干细胞产生的类似器官的微结构。干细胞具有两个重要特性：它们可以自我复制，也可以分裂产生更多特化的细胞，例如神经元或肌肉细胞。

在《自然》杂志上，Hippenmeyer研究小组——特别是共同第一作者Melissa Stouffer, Osvaldo Miranda Romero, Florian Pauler, Fabrizia Pipicelli，以及Carmen Streicher 和Giselle Cheung——展示了他们首个小鼠大脑皮层类器官模型。他们通过与真实小鼠大脑的比较，发现了发育过程中的关键时间窗口。

从干细胞到大小合适的脑部

“在我们的实验室里，我们研究大脑如何从干细胞发育而来，”Hippenmeyer解释说。“大脑如何达到合适的大小，干细胞如何知道何时以及应该发育成哪些神经元，以及当发育或疾病过程中出现问题时会发生什么——例如，小头畸形或巨头畸形，即大脑异常小或异常大。”

与世界各地无数实验室一样，希彭迈尔研究小组的大部分研究都是使用小鼠进行的。该团队利用小鼠研究大脑皮层——大脑中神经元和胶质细胞密集分布的区域，对大脑功能和认知至关重要。

“大约八年前，我们开始更仔细地研究类器官，”他继续说道。

当时，大多数类器官都是用人类干细胞制成的——这不无道理，因为它们的目的是尽可能地深入了解人类发育过程。然而，人类干细胞在基因实验中的适用性有限，而且与小鼠相比，可用的成熟基因工具也较少。

Hippenmeyer团队与当时的博士后研究员Stouffer一起，着手开发可用于深入研究与大脑皮层发育相关问题的类器官。

单细胞分辨率下的新技术、新工具和前所未有的洞察力

类器官研究十分复杂，需要特定的技能。因此，斯托弗参加了 斯坦福大学举办的脑器官发生研讨会，并全身心投入到这一领域。

“那真是一次意义非凡的经历，”Stouffer回忆道。“它让我深刻体会到3D体外技术的复杂性以及干细胞实验的难度。在对类器官进行任何具体的定量分析之前，我需要确保已经获得了高质量的干细胞系，并开发出一套能够在不同批次和细胞系中重复进行的实验方案。这些前期准备工作虽然耗时，但却是之后所有类器官实验步骤的基础。”

凭借这些专业知识和合适的工具，Hippenmeyer 研究小组最终建立了一条稳定的鼠干细胞系。他们利用这条新型细胞系开发了一种稳健且可重复的鼠皮层类器官培养方案。

但这些三维结构与真实物体究竟有多相似呢？

为了解发育中的类器官与真正的大脑有多接近，最好在同一物种中观察两者——不是将小鼠大脑与人类类器官进行比较，而是在小鼠模型中研究两者。

因此，研究人员将小鼠大脑的特定发育阶段与类器官的发育阶段进行了比较。他们利用单细胞测序技术，研究了两种系统中都出现的细胞类型、它们的相对丰度，以及它们出现或消失的时间点。

“在我们研究的发育阶段，我们发现小鼠大脑中的细胞群与类器官中的细胞群非常相似，它们的分子程序也相似。”

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“现在我们有了这个严谨的类器官系统，我们就能更仔细地研究皮层结构发育过程中干细胞发生的变化，并将这些过程与我们的体内模型——小鼠——进行直接比较，”Hippenmeyer 继续说道。

利用 MADM（双标记嵌合分析）技术——一种独特的遗传方法，可以追踪器官发生过程中干细胞的分裂，器官发生是指器官从三个主要胚层开始形成的阶段——Hippenmeyer 研究小组已经绘制出了小鼠大脑在单个祖细胞水平上的发育清晰路线图。

在体内，发育过程遵循一个时间上线性的模式。起初，干细胞通过对称分裂进行增殖，随后短暂地转为非对称分裂以生成神经元。只有当所有神经元形成后，胶质细胞才会出现。因此，各个发育阶段是依次发生的，而非同时进行。

如果这一精细调控的发育过程受到干扰，例如由于基因突变，就可能导致严重的脑部畸形，如小头畸形或大头畸形。

从宏观层面来看，皮层类器官与小鼠大脑足够相似，能够帮助科学家研究发育的广泛方面。然而，类器官中的干细胞缺乏小鼠中那种精确的发育阶段顺序。尽管相同的细胞类型会形成，但神经元发育的时间进程在类器官中却失去了同步性。

换句话说，类器官中的脑干细胞缺乏对时间的准确感知。它们只计时小时，却不计分分钟。唯一的例外是胶质细胞的形成：这一过程同样发生在类器官神经元形成之后，与小鼠大脑中的情况一致。重要的是，揭示这些与体内条件在相似性和差异性方面的具体特征，为更好地理解机制框架带来了重要的概念性进展。

研究人员推测，类器官缺乏某些外部信号。培养皿中的微结构是通过自组织形成，但由于在实验室中培养，它们缺少了生物体内部存在的许多外部影响因素。

“在我们的类器官中，这种情况似乎并不完美，仅靠自组织产生的物理力显然不够。体内系统中存在的因素缺失了——即所谓的干细胞微环境。”

干细胞微环境是指干细胞生存和调控的特定微环境，其中包括邻近细胞、血管、信号分子、生长因子以及机械信号等。

接下来会怎样？

Hippenmeyer 团队的新发表论文一方面提出了一种可靠的方案，用于从小鼠细胞中生成皮层类器官。另一方面，这也突显了那些对干细胞微环境变化或缺失敏感的发育过程。  

这些发现对于类器官研究具有重要意义。它们表明，某些发育过程在类器官和小鼠大脑中是如何相似地展开的——根据现有知识，到何种程度，脑部发育的特定方面可以在类器官中得到可靠研究。  

下一步，研究人员希望尝试在类器官中重建干细胞微环境的部分特征。为此，他们可以逐步添加存在于小鼠大脑中的因素，以帮助恢复发育过程中时间上的线性序列。

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