新方法，來自胎兒組織的腦類器官接受CRISPR，使腫瘤建模成為可能

由公主Máxima兒科腫瘤學中心和Hubrecht研究所領導的科學家團隊已經從人類胎兒腦組織中開發出3D微型器官，這些器官可以在體外自我組織。研究人員表示，實驗室培養的人類胎兒腦類器官(FeBOs)為研究大腦發育提供了新的方法，也為研究與大腦發育有關的疾病的發展和治療提供了新的途徑，包括腦腫瘤。

公主Máxima兒科腫瘤學中心的研究聯合負責人Benedetta Artegiani博士在評論這項工作時說:“來自胎兒組織的腦類器官是研究人類大腦發育的寶貴新工具。我們現在可以更容易地研究發育中的大腦是如何擴張的，并觀察不同類型的細胞及其環境的作用。我們新的組織衍生的大腦模型使我們能夠更好地了解發育中的大腦如何調節細胞的身份。它還可以幫助理解這一過程中的錯誤如何導致小頭癥等神經發育疾病，以及其他可能源于發育異常的疾病，包括兒童腦癌。”

Artegiani和他的同事在《Cell》雜志上發表了一篇題為《Human fetal brain self-organizes into long-term expanding organoids》的論文。

科學家們在實驗室中使用不同的方法來模擬健康組織和疾病的生物學。這些包括細胞系、實驗動物，以及最近的3D類器官或微型器官。類器官具有一些特性和一定程度的復雜性，使科學家能夠在實驗室中密切模擬一個器官的功能。

作者進一步解釋說:“人類類器官是干細胞衍生的三維(3D)結構，模仿相關組織的特征，包括分子特征、細胞組成和結構以及功能。類器官可以直接由組織細胞形成。科學家還可以引導胚胎干細胞，或來自某些成人組織的干細胞或胚胎來源的干細胞，發育成他們想要研究的器官。兩種來源的干細胞可用于獲得類器官:多能干細胞(PSCs)和組織干細胞(TSCs)。”

到目前為止，大腦類器官是通過誘導胚胎干細胞或多能干細胞生長成代表大腦不同區域的結構而在實驗室中培養出來的。“到目前為止，大腦類器官只能由多能干細胞建立，”研究人員指出。研究人員利用一種特定的分子混合物，試圖模擬大腦的自然發育。

Artegiani和他的同事現在已經報道了直接從人類胎兒腦組織中發育出腦類器官的情況。研究小組證明，使用小塊胎兒腦組織，而不是單個細胞，對培養大腦類器官至關重要。為了培育其他微型器官，如腸道，科學家通常會將原始組織分解成單個細胞。相反，研究小組發現胎兒腦組織的小塊可以自我組織成腦類器官。

這些結構，每個大約一粒米大小，展示了一個復雜的3D組成，包括許多不同類型的腦細胞。重要的是，腦類器官含有許多外放射狀膠質細胞——一種在人類和我們的進化祖先身上發現的細胞類型。這強調了類器官與人腦的相似之處，以及在研究人腦方面的實用性。

腦組織碎片也產生了構成細胞外基質(ECM)的蛋白質——細胞周圍的支架。研究小組認為，這些蛋白質可能是大腦組織碎片能夠自組織成3D大腦結構的原因。研究人員指出:“值得注意的是，我們研究的一個關鍵發現是，組織完整性的保存以及天然細胞-細胞相互作用似乎有助于產生適當的組織樣ECM生態位，我們假設這可能對維持長期擴張很重要。”類器官中細胞外基質的存在將使研究腦細胞的環境以及出現問題時會發生什么成為可能。

研究人員還發現，組織衍生的類器官保留了它們產生的大腦特定區域的各種特征。他們寫道:“FeBO可以從中樞神經系統的不同部分衍生出來，同時在很長一段時間內廣泛地捕捉到原始的區域特征。FeBO線來自中樞神經系統(CNS)的不同區域，包括前腦的背側和腹側，保留了它們的區域特征，并允許探測位置特征的各個方面。”由此產生的類器官被證明對已知在大腦發育中起重要作用的信號分子有反應。這一發現表明，組織來源的類器官可以用于進一步探索和潛在地解開參與指導大腦發育的復雜分子網絡。

考慮到組織衍生類器官快速擴張的能力，研究人員還研究了它們在腦癌建模中的潛在效用。他們使用CRISPR-Cas9基因編輯技術在類器官的少數細胞中引入了癌癥基因TP53的缺陷。他們發現，三個月后，TP53缺陷細胞已經完全超過了類器官中的健康細胞。這些細胞有效地獲得了生長優勢，這是癌細胞的典型特征。

研究人員還使用CRISPR-Cas9關閉了與腦腫瘤膠質母細胞瘤相關的三個基因——TP53、PTEN和NF1。這些突變的類器官對現有癌癥藥物的反應可以被評估。這些結果顯示了將類器官用于癌癥藥物研究，將某些藥物與特定基因突變聯系起來的潛力。“我們進一步證明了使用FeBO培養系統來解決與疾病相關的問題，”作者說。“特別是，具有明確基因組成的可擴展CRISPR突變的FeBO系可以作為自下而上的癌癥模型生成。這樣的突變FeBO系代表了可擴展和可重復的系統，適用于大量的功能篩選，包括突變藥物敏感性分析。”

組織來源的類器官在培養皿中持續生長了6個多月。重要的是，科學家們可以繁殖它們，使他們能夠從一個組織樣本中培養出許多相似的類器官。研究人員指出:“FeBO可以通過切割整個類器官來可靠地傳代，每一個FeBO片段都能持續地改造整個類器官，在培養的20-30天內產生穩定擴大的FeBO細胞系。總的來說，FeBO細胞系擁有一個活躍的干細胞/祖細胞庫，在反復分裂的情況下，它們能夠長期擴張，同時通過產生神經元細胞，捕獲廣泛的細胞異質性和組織，提供組織起源的‘快照’。”

具有膠質母細胞瘤基因變化的微型腫瘤也能夠繁殖，保持相同的突變組合。這一特征表明，科學家將能夠對組織來源的類器官進行重復實驗，從而提高他們發現的可靠性。

接下來，研究人員的目標是進一步探索新的組織來源的類腦器官的潛力，并計劃繼續與生物倫理學家(他們已經參與了這項研究的形成)合作，指導新的類腦器官的未來發展和應用。

研究共同負責人Delilah Hendriks博士，公主Máxima兒科腫瘤學中心附屬小組組長，Hubrecht研究所博士后研究員和Oncode研究員評論道。“這些新的胎兒組織衍生的類器官可以為大腦不同區域的形成以及細胞多樣性的產生提供新的見解。我們的類器官是腦類器官領域的重要補充，可以補充現有的由多能干細胞制成的類器官。我們希望從這兩種模型中學習，以解碼人類大腦的復雜性。能夠繼續生長和使用胎兒組織中的腦類器官也意味著我們可以從這些珍貴的材料中學習到盡可能多的東西。我們很高興能夠探索使用這些新的組織類器官來發現人類大腦的新發現。”

研究共同負責人Hans Clevers博士補充說，他是類器官研究的先驅，也是Hubrecht研究所和公主Máxima兒科腫瘤學中心和Oncode調查員的前研究小組負責人，“通過我們的研究，我們正在為類器官和大腦研究領域做出重要貢獻。自從我們在2011年開發出**個人類腸道類器官以來，很高興看到這項技術真正取得了進展。從那時起，類器官已經被開發用于人體幾乎所有的組織，包括健康的和患病的，包括越來越多的兒童腫瘤。到目前為止，我們能夠從大多數人體器官中獲得類器官，但不能從大腦中獲得——我們現在也能夠跨越這一障礙，這真的很令人興奮。”

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