人类皮质类器官的生成、特性和皮质发育畸形的疾病模型

doi:10.4103/1673-5374.369100

摘要/Abstract

摘要： https://orcid.org/0000-0002-8176-3434 (Chao-Yu Miao); https://orcid.org/0000-0002-3091-1281 (Shu-Na Wang)

Abstract: As three-dimensional “organ-like” aggregates, human cortical organoids have emerged as powerful models for studying human brain evolution and brain disorders with unique advantages of human-specificity, fidelity and manipulation. Human cortical organoids derived from human pluripotent stem cells can elaborately replicate many of the key properties of human cortical development at the molecular, cellular, structural, and functional levels, including the anatomy, functional neural network, and interaction among different brain regions, thus facilitating the discovery of brain development and evolution. In addition to studying the neuro-electrophysiological features of brain cortex development, human cortical organoids have been widely used to mimic the pathophysiological features of cortical-related disease, especially in mimicking malformations of cortical development, thus revealing pathological mechanism and identifying effective drugs. In this review, we provide an overview of the generation of human cortical organoids and the properties of recapitulated cortical development and further outline their applications in modeling malformations of cortical development including pathological phenotype, underlying mechanisms and rescue strategies.

Key words: cortical development, disease models, human cortical organoids, human cortical spheroids, human pluripotent stem cells, malformations of cortical development, telencephalon organoids, whole brain organoids

. 人类皮质类器官的生成、特性和皮质发育畸形的疾病模型[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2023, 18(10): 2119-2126.

Xiu-Ping Zhang, Xi-Yuan Wang, Shu-Na Wang, Chao-Yu Miao. The generation and properties of human cortical organoids as a disease model for malformations of cortical development[J]. Neural Regeneration Research, 2023, 18(10): 2119-2126.

参考文献

引言

出版重点

《中国神经再生研究（英文版）》杂志为SCI、PubMed数据库收录的国际唯一一本专注神经再生领域研究的经同行评议的开放获取期刊，出版来自全球神经再生领域专业学者的前沿性基础研究及临床研究及转化医学、循证医学优秀的最新成果。

期刊出版来自于脑损伤与神经再生、脊髓损伤与神经再生、周围神经损伤与神经再生和神经退行性病与神经再生、神经影像与神经再生的相关研究。期刊关注神经损伤与再生过程中的轴突再生、突触生长、神经可塑性、神经修复和替代、神经移植等最新研究成果。尤其关注应用细胞治疗、基因治疗、生物因子治疗、药物治疗、手术治疗、康复治疗、物理疗法、组织工程、生物工程、生物材料、神经假体等干预性方法产生神经再生效果的相关研究。文章应清晰描述抑制神经元损伤、减轻神经元损伤的一系列变化，保护损伤神经元的过程、方法、程度与评价，突出从细胞分子水平以及分子生物学水平解释神经元损伤后以及预后再生的机制。

NRR杂志被国际重要数据库收录

科学引文索引（Science Citation Index Expanded，SCI）

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美国国立医学图书馆开放获取全文数据库（PubMed Central, PMC）

美国生物学文摘数据库（BIOSIS previews, BP）

美国《化学文摘》（Chemical Abstracts, CA）

Scopus荷兰《医学文摘库/医学文摘》（Excerpta Medica, EM）

波兰《哥伯尼索引》（Index of Copurnicus, IC）

OvidSP平台数据库

中国科学引文数据库（CSCD）

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编委会

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苏国辉院士（Kwok-fai So, Chair Professor and Head, Jessie Ho Professor in Neuroscience, Department of Anatomy, The University of Hong Kong）。

徐晓明教授（Xiao-ming Xu, Professor and Mari Hulman George Chair of Neurological Surgery, Scientific Director of Spinal Cord and Brain Injury Research Group, Indiana University School of Medicine）

联系方式：Email: szb@nrren.org 电话：+86 138 0499 8773

编委会成员

期刊编委队伍由国际神经再生领域著名学者、中国科学院院士、香港大学苏国辉教授和美国印第安纳大学徐晓明教授领导的由100多位国际神经再生优秀专家组成。共同致力于创办一本发表神经再生领域专业学术研究经同行严格评审的优秀学术期刊。

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材料方法

讨论

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（3）文章写作结构：

文题：不超过 90个字母，20个单词。

摘要：非结构式， 250单词。

引言：

主体内容：

总结：

作者贡献：

利益冲突：

参考文献：采用 Journal of Neuroscience格式。

特邀述评类文章：观点、点评、研究亮点、给编辑的信等。

特邀观点栏目文章要求：

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对此科研过程的认识和总结。

（2）需提前向编委会提交写作大纲，通过选题后，文章需在2个月内完成。

（3）全文2000- 3000单词，包括参考文献，不需要图和表格，不需要摘要，出版后2个版面。

（4）文章写作结构：

文题：不超过 90个字母，20个单词。

主体内容：

参考文献：不超过 5条，采用Journal of Neuroscience格式。

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（1）点评文章为点评在本刊发表的文章，研究亮点文章为点评国际优秀杂志近期或在线提前发表的前沿性的优秀文章。

（2）需提前向编委会提交写作大纲，通过选题后，文章需在2个月内完成。

（3）全文2000- 3000单词，包括参考文献，不需要图和表格，不需要摘要，出版后2个版面。

（4）文章写作结构：

文题：不超过 90个字母，20个单词。

主体内容：

利益冲突：

参考文献：不超过 5条，采用Journal of Neuroscience格式。

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（4）文章写作结构：

文题：不超过 90个字母，20个单词。

主体内容：

利益冲突：

参考文献：不超过 5条，采用Journal of Neuroscience格式。

文章快阅

延伸阅读

NRR: 海军军医大学缪朝玉团队讲述人皮质类器官再现人类脑皮质发育和疾病特征的最新进展

撰文：张修平,王淑娜，缪朝玉

近年来，得益于干细胞和三维培养技术的迅速发展，体外三维类器官(organoids)技术应运而生并在科学研究中展现出巨大优势。基于人多能干细胞的人脑类器官培育技术于2013年被首次提出，使得构建与人类大脑生理结构和功能相似的体外模型成为可能，以离体重现人在体脑特异性发育过程[1,2]。结合基因编辑技术、高通量筛选、单细胞测序和蛋白组学等技术，人脑类器官在人脑发育进程研究、模拟神经系统疾病和探索病理机制、药物筛选和毒性测试、以及再生医学等领域掀起了热潮[3,4]。

近期，海军军医大学缪朝玉教授团队在《中国神经再生研究(英文版)》 (Neural Regeneration Research)上发表了一篇题为“Human cortical organoids generation, property and disease model for malformations of cortical development”的综述，重点介绍了人皮质类器官(human cortical organoids，hCOs)，即产生大脑皮质区域的人脑类器官，具体涵盖了三种经典的人脑类器官，分别是全脑类器官(whole brain organoids, WBOs), 端脑类器官(telencephalon organoids)以及人皮质球(human cortical spheroids, hCSs)。研究表明，不同类型的皮质类器官，其最根本的区别在于培育方法学差异导致的脑区特异性分区的不同，WBOs包含前脑、中脑、后脑区域；端脑类器官包括背侧的大脑皮质和腹侧的外侧神经节隆起的区域；hCSs类器官除了表达少量的脉络丛细胞之外，几乎只产生大脑皮质区域[1,2,5]。

缪朝玉教授团队的文章比较了三种典型的hCOs在制备方法学上的差异，并进一步概述了它们与体内正常大脑皮质发育相似的组织结构、以及不同hCOs在神经功能和相互作用性质上的研究进展。大脑皮质负责认知、语言和感觉等功能，其发育异常时可能直接导致皮质发育畸形，并与复杂的神经精神疾病等的病理进程相关。该文章主要综述了hCOs在模拟皮质发育障碍疾病中的特点及应用，有助于更全面的了解人脑皮质特征。

HCOs是由人多能干细胞在体外贴近在体生理环境的条件下，经历胚状体产生、神经外胚层诱导分化、神经诱导以及扩张与长期培养的过程形成的三维器官样组织。HCOs的方法学差异主要在于是否引入了外源性的诱导因子定向诱导特定的脑区发育：WBOs仅在内源性信号因子的作用下自发的产生多个脑区；而端脑和皮质球类器官培养方法中加入了TGFβ和WNT信号抑制剂以促进端脑命运；同时，hCSs培养过程最为简化，不需要WBOs体系的基质胶包被、旋转培养以及端脑类器官方法学中的高氧和物理剪切等辅助手段。随着hCOs体系的发展，方法学也在不断更新以克服最初的不足，如在最终分化培养基中添加神经营养因子、TGFβ以及溶解的基质胶等，以促进hCOs的分化和成熟。作者还讨论了其他因子在hCOs培养中的作用，有助于理解不同类型hCOs的培养过程。

HCOs较为真实地再现了许多体内大脑皮质发育的关键性质，作者从细胞、结构和功能水平概述了hCOs的关键特征。三种类型的hCOs，按照与大脑发育类似的时间进程产生了多样的细胞类型和典型的皮质分层结构，该分化过程表现出与体内一致的细胞分裂、增殖方式、细胞迁移与排列模式。HCOs在神经功能上尚不完全成熟，但随着发育进程的推进会逐渐表现出趋于成熟的神经网络活性，比如同步爆发放电以及振荡活性等。不同类型以及不同发育阶段hCOs的电生理活性不同，例如培育76~104天的端脑类器官神经网络功能相对不成熟，几乎没有同步钙瞬变，而培育9个月的hCSs已经表现出类似于早产儿的脑电波特征[6-8]。在体大脑皮质可与其他脑区相互作用，对大脑发育和功能非常重要。相对单一脑区的hCSs与其他脑区特异性类器官组成的融合体更多地再现脑区间的相互作用，如腹侧前脑起源的中间神经元从腹侧前脑类器官迁移到hCOs，皮质纹状体类器官融合体再现皮质神经元投射，特别地，一种三组分的皮质、脊髓和骨骼肌类器官融合体表现出刺激皮质神经元后引起肌肉的收缩[9-11]。不管是结构基础、神经网络的构建还是脑区中的相互作用，都为hCOs构建疾病模型提供基础。

使用患者来源或疾病特异性基因编辑的人多能干细胞，已构建了多种疾病特异性hCOs，在模拟神经系统疾病上表现出巨大的潜力，如神经发育疾病(小头畸形，大头畸形，室周易位，米勒综合征、雷氏综合征等)、神经退行性疾病(阿尔兹海默病)、神经精神疾病(自闭症、精神分裂症，双向情感障碍等)和其他神经系统疾病(脑损伤、脑肿瘤等)。皮质发育畸形的hCOs再现了皮质发育畸形的表型特点，主要包括神经祖细胞异常增殖或凋亡，神经元过早分化或分化延缓，神经元的异常迁移以及神经功能的减弱或增强等，并初步探索了疾病的发病机制，基因修复或药物作用，为深入研究疾病的机制和治疗提供了有力的模型。例如, 来自CDK5RAP2突变患者的WBOs显示出体积减小的关键表型，放射状胶质细胞数量减少，神经元数量增加[1]。hCOs与腹侧前脑的组装体在研究神经回路、神经功能缺陷等相关疾病中表现显著。来自MECP2突变的Rett综合征女性患者的HCSs和腹侧前脑类器官的组装体表现出神经祖细胞数量减少、未成熟神经元过早分化和中间神经元迁移缺陷[12]。

HCOs作为模拟皮质发育的重要模型，能够再现体内关键的皮质发育事件，适用于研究其他模型无法实现的人脑发育和进化特性，如研究皮质扩张机制以及探索分泌因子和激素等对脑发育的作用。当前的hCOs建立了简单的神经回路，对皮质功能以及复杂的神经系统疾病的研究十分有意义。人脑类器官移植到啮齿动物大脑后能够与宿主脑整合，形成功能性的神经回路并参与调控宿主的部分行为功能，对未来进一步开展再生医学研究提供了数据支持。HCOs作为大脑皮质研究极具优势的新兴技术，将加大地推进人大脑基础和临床研究，并且对胚胎发育、优生优育等产生指导意义。

原文链接：https://doi.org/10.4103/1673-5374.369100

参考文献

1. Lancaster MA, Renner M, Martin CA, et al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature. 2013;501(7467):373-379.

2. Kadoshima T, Sakaguchi H, Nakano T, et al. Self-organization of axial polarity, inside-out layer pattern, and species-specific progenitor dynamics in human ES cell-derived neocortex. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013;110(50):20284-20289.

3. Qian X, Song H, Ming GL. Brain organoids: advances, applications and challenges. Development. 2019;146(8):dev166074.

4. Lancaster MA, Huch M. Disease modelling in human organoids. Dis Model Mech. 2019;12(7):dmm039347.

5. Pasca AM, Sloan SA, Clarke LE, et al. Functional cortical neurons and astrocytes from human pluripotent stem cells in 3D culture. Nat Methods. 2015;12(7):671-678.

6. Li R, Sun L, Fang A, Li P, Wu Q, Wang X. Recapitulating cortical development with organoid culture in vitro and modeling abnormal spindle-like (ASPM related primary) microcephaly disease. Protein Cell. 2017;8(11):823-833.

7. Sakaguchi H, Ozaki Y, Ashida T, et al. Self-organized synchronous calcium transients in a cultured human neural network derived from cerebral organoids. Stem Cell Reports. 2019;13(3):458-473.

8. Trujillo CA, Gao R, Negraes PD, et al. Complex oscillatory waves emerging from cortical organoids model early human brain network development. Cell Stem Cell. 2019;25(4):558-569. e557.

9. Xiang Y, Tanaka Y, Patterson B, et al. Fusion of regionally specified hpsc-derived organoids models human brain development and interneuron migration. Cell Stem Cell. 2017;21(3):383-398. e387.

10. Miura Y, Li MY, Birey F, et al. Generation of human striatal organoids and cortico-striatal assembloids from human pluripotent stem cells. Nat Biotechnol. 2020;38(12):1421-1430.

11. Andersen J, Revah O, Miura Y, et al. Generation of functional human 3d cortico-motor assembloids. Cell. 2020;183(7):1913-1929. e1926.

12. Gomes AR, Fernandes TG, Vaz SH, et al. Modeling Rett syndrome with human patient-specific forebrain organoids. Front Cell Dev Biol. 2020;8:610427.