撰文 | Qi
由人类多能干细胞产生的大脑类器官是一种很有前景的大脑修复策略，已有的前脑类器官可以表现出人类胚胎皮层的显著特征和正常神经发育的顺序性，虽然不能完全复制皮质结构，但可用于研究脑移植以重建神经回路。研究人员已经证明将人脑类器官移植到啮齿动物宿主中是可行的，能够实现结构和功能整合，但是否能与受伤的成年哺乳动物大脑发生整合仍不清楚。2023年2月1日，来自宾夕法尼亚大学的Han-Chiao Isaac Chen团队在Cell Stem Cell杂志上发表了一篇题为 Structural and functional integration of human forebrain organoids with the injured adult rat visual system 的文章，他们证明人脑类器官在移植到视觉皮层受损的成年大鼠损伤腔后可以成功地与其视觉系统发生结构和功能上的整合，利用病毒进行跨突触追踪揭示了类器官神经元与宿主视网膜之间的多突触通路，以及移植物与视觉系统其他区域之间的相互连接，宿主动物的视觉刺激也同样会引起类器官神经元的反应。这些结果强调了人脑类器官移植是一种用于修复皮质损伤的潜在策略。研究人员首先基于之前发布的双重SMAD抑制方案从组成型表达GFP的人类多能干细胞系产生前脑皮质类器官【1】，在d80完成对成年雄性大鼠视觉皮层的移植，在移植后的连续三个月都能观察到很高的移植物存活率，宿主血管可以很好地浸润到类器官中且并未诱发明显的炎症反应。对移植物的细胞组成随时间分析发现Pax6+神经祖细胞数量逐渐减少，而NeuN+成熟神经元的数量逐渐增加，绝大多数细胞表达FoxG1以证实其端脑身份，兴奋性与抑制性神经元的比例也基本与正常成人大脑皮层中的4:1一致。移植物与宿主大脑的功能整合取决于两者是否可以建立适当的连接，于是作者检查了移植物投射到宿主大脑的程度以及它们的解剖学目标，结果显示大多数投射定位于视觉和压后皮层且随时间推移增加，但也存在一些向运动皮层的脱靶投射。在证明移植物和宿主大脑之间存在正确的解剖连接后，需要确保宿主视觉信息能够输入到移植物才能证明两者的功能整合。为此，作者利用改良的狂犬病病毒系统进行单突触逆行追踪，显示最大数量的输入来自于紧邻移植物的视觉皮层。为了评估移植物与上游视觉信息源（视网膜）之间的连通性，作者在类器官移植后两个月将改良的单纯疱疹病毒系统（HSV）注射到移植物对侧的眼中以进行多突触顺行追踪。与预期一致，在注射病毒2周后，大量的GFP+细胞出现在类器官移植物中，在与移植物相邻的宿主视觉皮层和同侧外侧膝状体核等中也发现了GFP+细胞，表明由外侧膝状体核中继的视网膜输出到达类器官移植物并建立突触连接。在确认了移植物和宿主大脑广泛的传入传出连接后，作者在紫外光引导下利用其固有荧光将带有32个电极触点的层状硅探针插入类器官移植中，这些移植物都表现出自发的神经活动，放电率、峰幅度和宽度方面，与宿主神经元没有明显差异。接下来，作者为实验大鼠提供视觉刺激，8只移植了类器官的大鼠中的6只检测到视觉诱发的神经活动，在1 mpt（移植类器官后1个月）移植物中自发活跃的7个细胞未表现出诱发活动的证据，2 mpt的动物中有31/140个细胞被诱发，10/140个细胞被视觉刺激抑制，3 mpt移植物中7/33细胞被诱发，没有细胞被抑制。类器官中诱发的神经元活动模式在性质上与大鼠视觉皮层中观察到的相似，表明类器官神经元对视觉皮层神经元的光反应具有相当的潜力。然而，两者之间也存在一定的差异，比如类器官神经元对视觉刺激的反应时间更长，但被诱发的神经元数量更少等。在受伤后重建大脑回路以恢复大脑功能是再生医学长期以来追求的目标，而大脑类器官因其组织结构和自体或患者匹配移植物的潜力而成为大脑修复基质的有趣候选者。总的来说，这项工作使用视觉系统作为评估功能性移植物整合程度的平台，证明了大脑类器官能够整合到宿主大脑系统级网络的神经回路中，支持使用多能干细胞衍生的神经组织来对患者匹配的受损大脑进行修复。原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.01.004
制版人：十一
1. Qian, X., Nguyen, H.N., Song, M.M., Hadiono, C., Ogden, S.C., Hammack, C., Yao, B., Hamersky, G.R., Jacob, F., Zhong, C., et al. (2016). BrainRegion-Specific Organoids Using Mini-bioreactors for Modeling ZIKV Exposure. Cell 165, 1238–1254. https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.04.032.
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