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類腦器官培養(yǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的二維培養(yǎng)方法相比，三維類腦器官具有與人腦類似的結(jié)構(gòu)，且能夠很好地模擬細(xì)胞類型及神經(jīng)環(huán)路等特征。因此，三維類腦器官近年來，越來越多的應(yīng)用于探究人腦早期發(fā)育的研究中。另外，類腦器官在探究疾病的病理機(jī)制和高通量藥物篩選等方面也展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。但由于腦與和血管的共同發(fā)育的重要性，缺乏循環(huán)系統(tǒng)，特別是內(nèi)皮系統(tǒng)的參與，類腦器官不能進(jìn)行長期培養(yǎng)。

中科院生物物理研究所王曉群課題組長期深耕腦的發(fā)育與功能領(lǐng)域， 近年來，該課題組對于人大腦皮層胚胎發(fā)育期間細(xì)胞類型與細(xì)胞特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并揭示了人腦神經(jīng)元在胚胎發(fā)育期快速增長并產(chǎn)生溝回的調(diào)控機(jī)制 (Liu et al., 2017; Zhong et al., 2018)。跨物種研究表明，人類及非人靈長類動物的大腦皮層發(fā)育呈現(xiàn)出了有別于其他低等動物（如嚙齒類）的一些特點(diǎn)，例如出現(xiàn)了包含大量oRG神經(jīng)前體細(xì)胞和IPC中間神經(jīng)前體細(xì)胞的外側(cè)腦室下區(qū)（OSVZ區(qū)）（wang et al., 2011)，這些神經(jīng)前體細(xì)胞種類的多樣性和豐富的數(shù)量促進(jìn)了神經(jīng)元的高速產(chǎn)生，為人腦的復(fù)雜功能發(fā)育提供了細(xì)胞基礎(chǔ)。為了深入研究該領(lǐng)域，王曉群課題組早在2012年首先開發(fā)了類腦皮層培養(yǎng)的技術(shù)的建立與發(fā)展，并應(yīng)用該技術(shù)在體外模擬了ASPM基因突變引起的頭小畸形癥發(fā)育和發(fā)展過程以及病理特征 (Li et al., 2017)。

2020年5月 13日，中國科學(xué)院生物物理研究所王曉群研究員聯(lián)合北京師范大學(xué)吳倩教授在Plos Biology雜志上發(fā)表了題為Vascularized human cortical organoids (vOrganoid) model cortical development in vivo的論文。該研究通過共培養(yǎng)人胚胎干細(xì)胞（或人多能干細(xì)胞）和人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）建立了一種獲得血管化類腦器官的方法，很好地解決了限制類腦器官長期發(fā)育的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)缺乏問題。該研究還證實了HUVECs血管網(wǎng)絡(luò)能夠加速類腦器官的成熟發(fā)育，使其更早的達(dá)到成熟狀態(tài)。而進(jìn)行體內(nèi)移植之后，類腦器官血管網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)皮細(xì)胞可以整合到宿主小鼠的血管中而形成新的有血液流動的功能性血管網(wǎng)絡(luò)。

本研究將HUVECs和人胚胎干細(xì)胞進(jìn)行3D類腦器官共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)HUVECs可以在類腦器官中連接形成具有通透能力的復(fù)雜血管網(wǎng)絡(luò)，且形成的血管網(wǎng)絡(luò)可以在超過200天的類腦器官中穩(wěn)定存在。免疫熒光染色顯示，血管化類腦器官具有多種神經(jīng)干細(xì)胞富集的腦室區(qū)、腦室下區(qū)和外側(cè)腦室下區(qū)，以及新生神經(jīng)元富集的皮質(zhì)板區(qū)。同時，還可以看到與人胚胎期皮層類似的興奮性神經(jīng)元分層排布而且中間散布著多種中間神經(jīng)元。單細(xì)胞RNA測序發(fā)現(xiàn)血管化類腦器官的細(xì)胞類型具有多樣性，并且各個細(xì)胞類型的轉(zhuǎn)錄組模式與人腦中的對應(yīng)細(xì)胞類型高度相似，進(jìn)一步說明了其與皮層的相似性。此外，膜片鉗全細(xì)胞記錄表明血管化類腦器官中的神經(jīng)元能夠發(fā)放動作電位，并建立廣泛的電突觸及化學(xué)突觸聯(lián)系。這些結(jié)果說明，本研究建立的血管化類腦器官在細(xì)胞類型、細(xì)胞排布、轉(zhuǎn)錄組模式及電生理特性等方面都很好地模擬了人胚胎期大腦皮層的特征，因此是研究人皮層發(fā)育及相關(guān)疾病的良好模型。

類腦器官有望在未來應(yīng)用于腦疾病的深入研究或治療，例如腦外傷的治療應(yīng)用。因此，為了探究類腦器官在移植中應(yīng)用的可能性，作者將血管化的類腦器官移植到免疫缺陷小鼠的S1腦區(qū)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)類腦器官血管網(wǎng)絡(luò)可以整合到宿主小鼠的血管中形成新的有血液流動的功能性網(wǎng)絡(luò)，同時減少了移植物的細(xì)胞凋亡。

綜上所述，該研究通過共培養(yǎng)人胚胎干細(xì)胞/多能干細(xì)胞和人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞建立了一種獲得血管化類腦器官的方法，很好地解決了限制類腦器官長期發(fā)育的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)缺乏問題。另外，內(nèi)皮細(xì)胞建立的血管網(wǎng)絡(luò)可以加快類腦器官的發(fā)育進(jìn)程，促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生，使其更早地達(dá)到成熟狀態(tài)，從而有效的解決了類腦器官成熟慢和發(fā)育周期長的問題。通過體內(nèi)移植實驗，本研究還首次證實了類腦器官血管網(wǎng)絡(luò)可以整合到宿主小鼠中并形成新的有血液流動的功能性血管網(wǎng)絡(luò)。血管化類腦器官的建立將為實現(xiàn)類腦器官的優(yōu)化培養(yǎng)、促進(jìn)其功能成熟，以及為建立體外三維血腦屏障模型提供新的研究思路及方案，具有重要的生物學(xué)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用潛力。