来自胎儿组织的脑类器官接受CRISPR，使肿瘤建模成为可能

由公主Máxima儿科肿瘤学中心和Hubrecht研究所领导的科学家团队已经从人类胎儿脑组织中开发出3D微型器官，这些器官可以在体外自我组织。研究人员表示，实验室培养的人类胎儿脑类器官(FeBOs)为研究大脑发育提供了新的方法，也为研究与大脑发育有关的疾病的发展和治疗提供了新的途径，包括脑肿瘤。

公主Máxima儿科肿瘤学中心的研究联合负责人Benedetta Artegiani博士在评论这项工作时说:“来自胎儿组织的脑类器官是研究人类大脑发育的宝贵新工具。我们现在可以更容易地研究发育中的大脑是如何扩张的，并观察不同类型的细胞及其环境的作用。我们新的组织衍生的大脑模型使我们能够更好地了解发育中的大脑如何调节细胞的身份。它还可以帮助理解这一过程中的错误如何导致小头症等神经发育疾病，以及其他可能源于发育异常的疾病，包括儿童脑癌。”

Artegiani和他的同事在《Cell》杂志上发表了一篇题为《Human fetal brain self-organizes into long-term expanding organoids》的论文。

科学家们在实验室中使用不同的方法来模拟健康组织和疾病的生物学。这些包括细胞系、实验动物，以及最近的3D类器官或微型器官。类器官具有一些特性和一定程度的复杂性，使科学家能够在实验室中密切模拟一个器官的功能。

作者进一步解释说:“人类类器官是干细胞衍生的三维(3D)结构，模仿相关组织的特征，包括分子特征、细胞组成和结构以及功能。类器官可以直接由组织细胞形成。科学家还可以引导胚胎干细胞，或来自某些成人组织的干细胞或胚胎来源的干细胞，发育成他们想要研究的器官。两种来源的干细胞可用于获得类器官:多能干细胞(PSCs)和组织干细胞(TSCs)。”

到目前为止，大脑类器官是通过诱导胚胎干细胞或多能干细胞生长成代表大脑不同区域的结构而在实验室中培养出来的。“到目前为止，大脑类器官只能由多能干细胞建立，”研究人员指出。研究人员利用一种特定的分子混合物，试图模拟大脑的自然发育。

Artegiani和他的同事现在已经报道了直接从人类胎儿脑组织中发育出脑类器官的情况。研究小组证明，使用小块胎儿脑组织，而不是单个细胞，对培养大脑类器官至关重要。为了培育其他微型器官，如肠道，科学家通常会将原始组织分解成单个细胞。相反，研究小组发现胎儿脑组织的小块可以自我组织成脑类器官。

这些结构，每个大约一粒米大小，展示了一个复杂的3D组成，包括许多不同类型的脑细胞。重要的是，脑类器官含有许多外放射状胶质细胞——一种在人类和我们的进化祖先身上发现的细胞类型。这强调了类器官与人脑的相似之处，以及在研究人脑方面的实用性。

脑组织碎片也产生了构成细胞外基质(ECM)的蛋白质——细胞周围的支架。研究小组认为，这些蛋白质可能是大脑组织碎片能够自组织成3D大脑结构的原因。研究人员指出:“值得注意的是，我们研究的一个关键发现是，组织完整性的保存以及天然细胞-细胞相互作用似乎有助于产生适当的组织样ECM生态位，我们假设这可能对维持长期扩张很重要。”类器官中细胞外基质的存在将使研究脑细胞的环境以及出现问题时会发生什么成为可能。

研究人员还发现，组织衍生的类器官保留了它们产生的大脑特定区域的各种特征。他们写道:“FeBO可以从中枢神经系统的不同部分衍生出来，同时在很长一段时间内广泛地捕捉到原始的区域特征。FeBO线来自中枢神经系统(CNS)的不同区域，包括前脑的背侧和腹侧，保留了它们的区域特征，并允许探测位置特征的各个方面。”由此产生的类器官被证明对已知在大脑发育中起重要作用的信号分子有反应。这一发现表明，组织来源的类器官可以用于进一步探索和潜在地解开参与指导大脑发育的复杂分子网络。

考虑到组织衍生类器官快速扩张的能力，研究人员还研究了它们在脑癌建模中的潜在效用。他们使用CRISPR-Cas9基因编辑技术在类器官的少数细胞中引入了癌症基因TP53的缺陷。他们发现，三个月后，TP53缺陷细胞已经完全超过了类器官中的健康细胞。这些细胞有效地获得了生长优势，这是癌细胞的典型特征。

研究人员还使用CRISPR-Cas9关闭了与脑肿瘤胶质母细胞瘤相关的三个基因——TP53、PTEN和NF1。这些突变的类器官对现有癌症药物的反应可以被评估。这些结果显示了将类器官用于癌症药物研究，将某些药物与特定基因突变联系起来的潜力。“我们进一步证明了使用FeBO培养系统来解决与疾病相关的问题，”作者说。“特别是，具有明确基因组成的可扩展CRISPR突变的FeBO系可以作为自下而上的癌症模型生成。这样的突变FeBO系代表了可扩展和可重复的系统，适用于大量的功能筛选，包括突变药物敏感性分析。”

组织来源的类器官在培养皿中持续生长了6个多月。重要的是，科学家们可以繁殖它们，使他们能够从一个组织样本中培养出许多相似的类器官。研究人员指出:“FeBO可以通过切割整个类器官来可靠地传代，每一个FeBO片段都能持续地改造整个类器官，在培养的20-30天内产生稳定扩大的FeBO细胞系。总的来说，FeBO细胞系拥有一个活跃的干细胞/祖细胞库，在反复分裂的情况下，它们能够长期扩张，同时通过产生神经元细胞，捕获广泛的细胞异质性和组织，提供组织起源的‘快照’。”

具有胶质母细胞瘤基因变化的微型肿瘤也能够繁殖，保持相同的突变组合。这一特征表明，科学家将能够对组织来源的类器官进行重复实验，从而提高他们发现的可靠性。

接下来，研究人员的目标是进一步探索新的组织来源的类脑器官的潜力，并计划继续与生物伦理学家(他们已经参与了这项研究的形成)合作，指导新的类脑器官的未来发展和应用。

研究共同负责人Delilah Hendriks博士，公主Máxima儿科肿瘤学中心附属小组组长，Hubrecht研究所博士后研究员和Oncode研究员评论道。“这些新的胎儿组织衍生的类器官可以为大脑不同区域的形成以及细胞多样性的产生提供新的见解。我们的类器官是脑类器官领域的重要补充，可以补充现有的由多能干细胞制成的类器官。我们希望从这两种模型中学习，以解码人类大脑的复杂性。能够继续生长和使用胎儿组织中的脑类器官也意味着我们可以从这些珍贵的材料中学习到尽可能多的东西。我们很高兴能够探索使用这些新的组织类器官来发现人类大脑的新发现。”

研究共同负责人Hans Clevers博士补充说，他是类器官研究的先驱，也是Hubrecht研究所和公主Máxima儿科肿瘤学中心和Oncode调查员的前研究小组负责人，“通过我们的研究，我们正在为类器官和大脑研究领域做出重要贡献。自从我们在2011年开发出第一个人类肠道类器官以来，很高兴看到这项技术真正取得了进展。从那时起，类器官已经被开发用于人体几乎所有的组织，包括健康的和患病的，包括越来越多的儿童肿瘤。到目前为止，我们能够从大多数人体器官中获得类器官，但不能从大脑中获得——我们现在也能够跨越这一障碍，这真的很令人兴奋。”