王晓群实验室应邀撰写综述类脑器官的新技术

　　2020年10月30日，应《Current Opinion in Neurobiology》编辑邀请，中国科学院生物物理研究所王晓群研究员撰写并在《Current Opinion in Neurobiology》杂志上发表了题为"Modeling brain development and diseases with human cerebral organoids"的综述论文。中科院生物物理研究所王晓群课题组长期致力于脑发育与功能的研究。 近年来，该课题组对于人大脑皮层胚胎发育期间的细胞类型与细胞特征进行了系统分析，并揭示了人脑产生沟回的调控机制(Liu et al., 2017; Zhong et al., 2018)。为了深入研究该领域，王晓群课题组早在2012年国际领先建立了大脑皮层类脑器官培养技术，并应用该技术在体外模拟了ASPM基因突变导致的头小畸形症表型，探究了ASPM突变导致头小畸形的病理特征和机制(Li et al., 2017)。为了进一步解决传统培养方案中氧气和营养物质不能到达类脑器官内部，从而限制了其长期培养的问题，该课题组在2020年建立了一种获得血管化类脑器官的方法(Shi et al., 2020)。该研究证实了人脐静脉内皮细胞（HUVECs）通过与人胚胎干细胞共培养能够在类脑器官中连接形成复杂的血管网络，并很好地缓解了类脑器官内部的细胞缺氧和凋亡。另外，HUVECs血管网络能够加速类脑器官的成熟发育，使其更早的达到成熟状态。而进行体内移植之后，类脑器官血管网络中的内皮细胞可以整合到宿主小鼠的血管中而形成新的有血液流动的功能性血管网络(Shi et al., 2020)。

　　探究人类大脑的发育机制以及揭示神经发育和精神疾病的致病机理一直是神经生物学的重要议题。由于人类和非人灵长类动物的脑组织极难获取且涉及到伦理问题，目前有关人类大脑皮层发育的认识和理解主要源于对啮齿类动物脑的研究。尽管很好地揭示了许多哺乳动物共性的发育特征，如皮层的六层结构和脑功能的区域化等，啮齿类动物模型并不适合于模拟和研究人类特异的大脑发育特点。近年来，诱导多能干细胞（iPSC）技术的建立和三维培养方法的快速发展使得类脑器官应运而生。类脑器官是在体外培养的具有与人脑类似结构的三维神经组织。大量的研究已经证实，类脑器官能够很好地模拟神经发生，神经元迁移，皮层分层及神经环路建立等体内过程。另外，得益于病人iPSCs的可获取性，类脑器官还可以被广泛应用于揭示神经系统疾病的发病机制。在体外培养条件下即可以获取大量的类脑器官，因此，类脑器官在揭密人类神经发育和神经精神疾病的遗传基础方面展现出了相较于动物模型的明显优势。

　　为了使读者对类脑器官有更全面的了解，该综述论文首先回顾了类脑器官的发展历程，并重点介绍了一些标志性的开创研究工作（见图1）。例如，Sasai等人在建立"无血清拟胚体培养方法"的贡献；以及Lancaster在2013年报道的建立同时包含多个脑区的"cerebral organoid"的培养方法。作为一个发展很迅猛的研究领域，目前有大量的研究报道了多种多样的培养方法以及模拟不同脑区发育的类脑器官的培养方案，本综述论文接下来详细总结了目前报道的多样的类脑器官的培养方案，并以图表的形式进行了很好的展示。这将很好地帮助对类脑器官培养有不同需求的读者建立合适的培养方案。在此基础上，论文从模拟人类神经系统发育和模拟神经系统异常疾病两个方面介绍了类脑器官在目前阶段的应用。类脑器官在探究人类特征性的神经前体细胞（例如，oRG）以及人类相较于非人灵长类的独特的发育特点方面均展现出了无与伦比的优势。另外，在模拟神经发育异常疾病及神经退行性疾病，并探究其致病机理方面，类脑器官均被广泛应用并显示了其独特的优势。尽管，类脑器官的研究领域正以突飞猛进的速度不断发展与创新，目前仍然存在一些亟需解决的问题，例如如何改善培养方案提高类脑器官的可重复性以及解决其内部缺氧和细胞坏死的问题等。这些问题以及尝试解决这些问题的研究工作在本论文中进行了详细的介绍。作为一个新兴的研究领域，类脑器官正在日新月异的迅猛发展，此论文将激起更多读者对于类脑器官的兴趣并帮助其对该领域有较全面和更好的了解。

图1 类脑器官发展和创新进程中重要的里程碑性研究工作

　　文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959438820301331

　　参考文献

　　【1】Li, R., Sun, L., Fang, A., Li, P., Wu, Q., and Wang, X.Q. (2017). Recapitulating cortical development with organoid culture in vitro and modeling abnormal spindle-like (ASPM related primary) microcephaly disease. Protein Cell 8, 823-833.

　　【2】Liu, J., Liu, W., Yang, L., Wu, Q., Zhang, H., Fang, A., Li, L., Xu, X., Sun, L., Zhang, J., et al. (2017). The Primate-Specific Gene TMEM14B Marks Outer Radial Glia Cells and Promotes Cortical Expansion and Folding. Cell Stem Cell 21, 635-649 e638.

　　【3】Shi, Y., Sun, L., Wang, M., Liu, J., Zhong, S., Li, R., Li, P., Guo, L., Fang, A., Chen, R., et al. (2020). Vascularized human cortical organoids (vOrganoids) model cortical development in vivo. PLoS Biol 18, e3000705.

　　【4】Zhong, S., Zhang, S., Fan, X., Wu, Q., Yan, L., Dong, J., Zhang, H., Li, L., Sun, L., Pan, N., et al. (2018). A single-cell RNA-seq survey of the developmental landscape of the human prefrontal cortex. Nature 555, 524-528.

（供稿：王晓群研究组）