中枢神经系统(CNS) 类器官作为体内模型的替代品

动物模型已广泛用于研究包括神经退行性、发育和罕见中枢神经系统疾病在内的神经系统疾病。然而,由于啮齿动物和人脑之间存在显着差异,因此常用啮齿动物模型只能提供有限的生理学和疾病病理生理学信息。人脑的神经元数量是小鼠大脑的一千多倍,单细胞 RNA 测序也表明存在基因表达差异1。虽然几种细胞类型在人类和啮齿动物中都很常见,但啮齿动物缺少某些细胞类型,例如作为新皮质发育祖细胞的外桡神经胶质细胞 2。非人类灵长类动物是啮齿动物模型的替代品,因其具有类似人类中枢神经系统的结构和功能,可用于行为研究。然而,新冠疫情之下,这类模型严重短缺,影响了生物医学研究的进度3。研究人员开始越来越关注开发三维大脑类器官以研究疾病病理生理学和测试新疗法。大脑类器官被定义为自组装的细胞聚集体,包括一种以上细胞类型,由胚胎细胞 (ES) 或诱导多能干细胞 (iPS) 发育而来。几项研究表明,中枢神经系统CNS 类器官具有神经发生、细胞迁移和神经回路等结构和功能特征 4。

使用中枢神经系统CNS 类器官的主要问题之一是核心细胞的凋亡和坏死。类器官依靠扩散来进行气体交换、养分和废物清除,这对于长期培养来说效率太低。神经退行性疾病的研究通常需要长期组织培养以研究疾病进展,因此延长培养物的存活时间至关重要。一种解决方案是通过招募小鼠内皮细胞,在成年小鼠大脑的移植类器官中引入脉管系统。另一种在类器官培养中引入脉管系统的方法是开发血管类器官 (vOrganoids),与人血管内皮细胞 (HUVEC) 共培养。研究表明,共培养方法可以诱导血管管状网络的形成,将类器官培养延长至 200 天5。

中枢神经系统CNS 类器官可使用非引导和引导两种方法生成 6。 CNS 类器官的无引导生成依赖于多能干细胞内在的自组织能力,无需任何外部因素的帮助即可形成明确的细胞结构。无引导类器官生成的缺点之一是细胞群和类器官大小的差异。引导类器官生成法通过在特定时间将其暴露于特定模式因素,在类器官组装中引入更多控制。特定因子的存在会触发特定的信号通路,从而产生特定谱系的类器官。例如,使用 Smad 抑制剂可将类器官从中胚层和内胚层谱系转移到外胚层谱系 7。

使用 iPS 细胞生成 CNS 类器官拓宽了 CNS 类器官的应用,因为来源于患者的细胞可用于生成疾病特异性类器官。大脑类器官还用于研究神经元发育和与神经发育相关的疾病,例如小头畸形、巨头畸形和自闭症谱系障碍等。另一个重要的研究领域是与神经精神疾病相关的信号通路4,以开发更有针对性和更有效的治疗方法。一项规模庞大且资金充足的神经科学研究领域是神经退行性疾病,如阿尔茨海默症和帕金森症。长期培养疾病特异性类器官对于测试减缓或逆转神经退行性病变的疗法具有重大意义。

参考文献:

1https://www.natureasia.com/en/research/highlight/13065

2https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33130409/

3https://www.nabr.org/about-nabr/news/implications-nhp-shortages-us-biomedical-research

4https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnsyn.2018.00015/full

5https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32401820//

6https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30992274/

7https://www.nature.com/articles/nbt.1529