实验室培育出人类迷你大脑

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迷你人脑模型

人脑是宇宙中最复杂的结构之一。过去其相关疾病研究既往基于小鼠,但是这与人正常大脑的结构相去甚远。以前也曾有研究团队培养出人神经细胞,但是并没有完全的大脑结构。近期发表于Nature的一文报道称实验室已培育出人类迷你大脑。这种迷你大脑有豌豆大小,与9周胎儿大脑差不多大小。本发现可能会改变人对神经系统疾病的发病机制的认识,可用于神经系统疾病的相关研究。并且对于神经系统的少见病和罕见病的研究意义也十非重大。现在研究团队已用该模型研究了「小脑畸形」,并取得了可喜的结果。因此,实验室培育出迷你大脑这一科研的意义十分重大和惊奇。

迷你人脑的培育

为了创造微型大脑,研究人员用人类胚胎干细胞或者人皮肤细胞培诱导成多功能干细胞,然后培养成胚胎的外胚层,外胚层可以发育成人脑和脊髓。

然后把培养好的外胚层放置到微小凝胶滴上使其生长,然后转移至旋转生物反应器(spinning bioreactor)继续培养。旋转细胞反应器中含有细胞生长所而的营养和氧气。

旋转生物反应器(spinning bioreactor)

旋转生物反应器(spinning bioreactor)中的脑培养状态

细胞可以生长及自我组织分化成脑组织的不同区域,如大脑皮层、视网膜、脑膜等。极少一部分会分化成海马。海马是大脑记忆的重要结构,在成人大脑中才可以发育完全。

研究人员非常确信这与胚胎9周时大脑的发育非常吻合,但是并不是十分完美。

组织在2月时会达到最大尺寸,大约4mm左右。

这种迷你大脑可以存活接近1年,但是不能再长大。原因是正常的大脑组织有血液供应,可以提供大脑生长的营养和氧气。而培养的迷你大脑不含有血管成分,因此营养和氧气不能达到培养大脑的中央。

研究人员Dr Juergen说:「我们得到的人脑组织是研究大脑发育及相关疾病的很好的模型」。

该技术还可以用于替代用于大脑药物试验及治疗方面的小鼠或者大鼠。

研究意义重大

在这之前,其他团队在已经实验室培养过小块的神经组织,但是他们没有任何人能够成功的培养包含脑皮质(大脑外层)在内的和其他大脑区域。本研究所培育出的脑结构是与人脑结构最接近的。

本研究所取得的成绩是难以置信的。

研究团队现已用该模型研究小脑畸形这一疾病。通过从患者身上得到的皮肤细胞培育迷你大脑可以研究小脑畸形是如何形成的。

他们发现细胞过早的分化,这意味着在大脑发育早期细胞不能形成足够的数量,因此也就导致了小脑畸形。

研究团队也认为本研究没有任何的伦理问题,但是Knoblich博士认为他并不建议培育出类似这样的更大的大脑,因为那样是不可取的。

Abstract

The complexity of the human brain has made it difficult to study many brain disorders in model organisms, highlighting the need for an in vitro model of human brain development. Here we have developed a human pluripotent stem cell-derived three-dimensional organoid culture system, termed cerebral organoids, that develop various discrete, although interdependent, brain regions. These include a cerebral cortex containing progenitor populations that organize and produce mature cortical neuron subtypes. Furthermore, cerebral organoids are shown to recapitulate features of human cortical development, namely characteristic progenitor zone organization with abundant outer radial glial stem cells. Finally, we use RNA interference and patient-specific induced pluripotent stem cells to model microcephaly, a disorder that has been difficult to recapitulate in mice. We demonstrate premature neuronal differentiation in patient organoids, a defect that could help to explain the disease phenotype. Together, these data show that three-dimensional organoids can recapitulate development and disease even in this most complex human tissue.

参考文献:Madeline A. Lancaster et.al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature (2013) doi:10.1038/nature12517

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