哈佛大学和布罗德研究所斯坦利精神病研究中心的科学家们在人类大脑“类器官”的发展方面取得了重大进展：微型3D组织培养模拟患者自身脑细胞。他们在“ 自然”杂志上发表的新方法，与发育中的人类大脑皮层一样，以相同的顺序生长相同类型的细胞。这一进展可能会改变研究人员研究神经精神疾病和测试药物有效性的方式。
人类神经疾病背后的遗传学是复杂的，基因组的大跨度有助于疾病的发生和发展。研究其他动物的神经系统疾病为相关发现提供了有限的机会，因为人类的大脑非常独特。
有机体为直接研究人类疾病提供了巨大的希望。但到目前为止，他们以一种非常重要的方式失败了。
“我们可能都会以不同的方式使用我们的大脑，但我们每个人都拥有相同的细胞类型和基本联系，”资深作者Paola Arlotta解释说，他是哈佛大学干细胞和再生生物学的Golub家庭教授，也是斯坦利中心的成员。“这种一致性是至关重要的，除了极少数例外情况，每次人类大脑在子宫中形成时它都会被复制。就我们大脑中的细胞类型和结构而言，我们之间只存在最小的差异。”
到目前为止，类器官的情况并非如此。虽然它们确实产生人脑细胞，但每一个细胞都是独特的。这意味着它们不能轻易用于比较患病和对照脑组织之间的差异。
“有机体大大提高了我们研究人类发育中大脑的能力，”Arlotta说。“但直到现在，每个人都有自己的雪花，以一种前所未有的方式制作自己特殊的细胞类型。我们解决了这个问题。”
在晚期干细胞生物学家Yoshiki Sasai领导的开创性工作的基础上，该团队创造了几乎无法区分的类器官 - 即使在实验室中生长超过六个月。
此外，在特定的培养条件下，类器官是健康的并且能够发育足够长的时间以产生通常在人类大脑皮层中发现的广谱细胞类型。
这些进展意味着脑类器官现在可以用作直接研究患者组织疾病的可行实验系统，并比较不同药物对人脑组织的影响。
同样的细胞，同样的方式
研究人员专注于大脑皮质的类器官：大脑中负责认知，语言和感觉的部分。大脑皮层在神经精神疾病如自闭症谱系障碍和精神分裂症中起关键作用。
“我们从多个来自男性和女性的干细胞系中制造了类器官，因此它们的遗传背景不同，”哈佛大学和布罗德研究所的研究科学家Silvia Velasco解释道。
人脑组织生长非常缓慢。在这项研究中，六个月后，类器官已经长到3毫米。迄今为止，在脑类器官中最大的单细胞RNA测序实验中，研究人员根据哪些基因在不同阶段表达而对细胞进行分组。使用计算模型进行大数据分析，他们将每组与胚胎大脑皮层中发育的细胞类型进行比较。
“尽管有不同的遗传背景，我们看到相同的细胞类型以相同的方式，以正确的顺序，最重要的是，在每个类器官中，”Velasco说。“我们真的很兴奋，这个模型给了我们这样的一致性。”
一种研究疾病的新方法
使用本研究中优化的方法，研究人员可以从患者的干细胞中制造类器官，或者设计含有与特定疾病相关的突变的细胞。
Arlotta的实验室目前正在探索自闭症，使用CRISPR / Cas9基因编辑技术开发特异于该疾病的脑类器官。
“现在可以将'对照'类器官与我们创造的类器官与我们知道与疾病相关的突变进行比较。这将使我们更加确定哪些差异是有意义的，哪些细胞受到影响，哪些分子途径去错了，“阿罗塔说。“具有可重复的类器官将有助于我们更迅速地采取具体的干预措施，因为它们将引导我们了解导致疾病的特定遗传特征。在未来，我设想我们将能够提出更为精确的问题在精神疾病的背景下出了问题。“
“在很短的时间内，我们已经获得了关于人类大脑中许多不同细胞类型的大量知识，”共同作者Aviv Regev说道，他是Broad Institute的核心研究所成员和学院主席，以及Human Cell Atlas项目的联合主席。“这些知识为我们创造这个极其复杂的器官模型奠定了基础。克服重复性问题打开了以几年前人们认为不可能的方式研究人类大脑的大门。”