干細胞培養方法產生完整人類中樞神經系統模型

密歇根大學、魏茨曼科學研究所和賓夕法尼亞大學的一組工程師和生物學家開發出了首個能夠產生人類中樞神經系統早期完整模型的干細胞培養方法。“像這樣的模型將為基礎研究打開大門，以了解人類中樞神經系統的早期發育，以及它如何在不同的疾病中出錯。”密歇根大學機械工程教授，《Nature》雜志上這項研究的通訊作者Jianping Fu說。

該系統是3D人類類器官干細胞培養的一個例子，它反映了人類器官系統的關鍵結構和功能特性，但只是部分或不完美的復制。

“我們不僅試圖了解人類大腦發育的基本生物學，還試圖了解疾病——為什么我們會有大腦相關疾病，它們的病理，以及我們如何想出有效的策略來治療它們，”Ming Guo-Li說。Ming和Song Hongjun都是賓夕法尼亞大學神經科學的佩雷爾曼教授，也是這項研究的共同作者，他們制定了培養和引導細胞的方案，并描述了該模型的結構和細胞特征。

例如，利用患者來源的干細胞開發的類器官可用于確定哪種藥物能提供最成功的治療。人類大腦和脊髓類器官已經被用于研究神經和神經精神疾病，但它們通常是模仿中樞神經系統的一部分，并且是無序的。相比之下，這個新模型同時概括了胚胎大腦和脊髓的所有三個部分的發育，這在以前的模型中是無法實現的。

“這個系統本身確實是開創性的，”魏茨曼大學的Berstein-Mason神經化學教授主席、該研究的合著者Orly Reiner說，他開發了細胞工具來識別模型中的神經細胞類型。“模仿這種結構和組織的模型以前沒有做過，它為研究人類大腦發育，特別是發育性大腦疾病提供了許多可能性。”

雖然該模型忠實于大腦和脊髓早期發育的許多方面，但研究小組注意到幾個重要的差異。首先，神經管的形成——中樞神經系統發育的**個階段——是非常不同的。該模型不能用于模擬因神經管閉合不當引起的疾病，如脊柱裂。

相反，該模型從一排干細胞開始，其大小與4周大的胚胎中發現的神經管差不多——大約4毫米長，0.2毫米寬。該團隊將這些細胞粘在一個帶有微小通道的芯片上，該團隊利用該芯片引入材料，使干細胞能夠生長，并引導它們構建中樞神經系統。

然后，研究小組添加了一種凝膠，這種凝膠可以讓細胞在三維空間中生長，并發出化學信號，推動它們成為神經細胞的前體。作為回應，細胞形成管狀結構。接下來，研究小組引入化學信號，幫助細胞識別它們在結構中的位置，并向更專門的細胞類型發展。結果，這個系統以一種反映胚胎發育的方式組織起來模仿前腦、中腦、后腦和脊髓。

“作為一名工程師，最具挑戰性的部分是學習神經發育和干細胞生物學，”該研究的**作者、密歇根大學機械工程博士后Xufeng Xue說。“這是一個團隊的努力，有賓夕法尼亞大學和魏茨曼的出色合作者。”

研究小組將這些細胞培養了40天，模擬受精后大約11周中樞神經系統的發育。在這段時間里，該團隊能夠證明特定基因在脊髓發育中的作用，并了解早期人類神經系統中的某些細胞類型如何分化為具有特殊功能的不同細胞。

Song說:“在許多情況下，動物模型根本不能概括人類腦部疾病(如小頭畸形)的特征或嚴重程度。即使是非人類的靈長類動物也不一樣。所以在疾病生物學和治療策略的背景下，人類細胞模型幾乎是不可替代的。”

該團隊計劃將該模型應用于利用患者來源的干細胞研究不同的人類大腦疾病。

Xue希望繼續使用這個模型來研究發育過程中大腦不同部分之間的相互作用。他還對研究大腦如何通過脊髓發送運動指令感興趣。這條研究路線可能會讓人們對麻痹等疾病有新的認識，它需要神經元連接到工作回路中——這在本研究中沒有觀察到。

波士頓科學博物館(Museum of Science)的生物倫理學家Insoo Hyun沒有參與這項研究，他指出，這樣的實驗在獲準繼續進行之前會受到嚴格審查。他說:“研究小組必須清楚他們試圖回答的科學問題——他們在模型中允許的發展程度是回答這個問題的最低限度。”

該模型不包括周圍神經或功能神經回路，這些特征對人類體驗環境和處理經驗的能力至關重要。

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