源自诱导多能干细胞培养的“miBrains”整合了人脑所有主要细胞类型，模拟脑结构、细胞相互作用、活动及病理特征。
麻省理工学院研究人员开发出一种新型3D人脑组织平台，首次将神经元、胶质细胞和血管系统等所有主要脑细胞类型整合到单一培养物中。这些模型源自个体捐赠者的诱导多能干细胞，被命名为“多细胞集成脑”（miBrains），能够复制人脑组织的关键特征和功能，易于通过基因编辑进行定制，并可批量生产以支持大规模研究。
尽管每个单元比一角硬币还小，但对于需要更复杂活体实验室模型来深入理解脑生物学和治疗疾病的科研人员及药物开发者而言，miBrains可能价值巨大。
“miBrain是唯一一种包含人脑中全部六种主要细胞类型的体外系统，”皮考尔学习与记忆研究所主任、皮考尔教授、描述miBrains的研究论文资深作者蔡立慧（Li-Huei Tsai）表示，该论文于10月17日发表在《美国国家科学院院刊》上。
“在首次应用中，miBrains帮助我们发现阿尔茨海默病最常见遗传标志物之一如何改变细胞相互作用从而引发病理变化，”她补充道。
蔡立慧的共同资深作者包括麻省理工学院大卫·科赫（1962届）研究所教授罗伯特·兰格（Robert Langer）和纽约西奈山伊坎医学院副教授、前蔡立慧实验室博士后乔尔·布兰查德（Joel Blanchard）。该研究由哈佛医学院和麻省总医院助理教授爱丽丝·斯坦顿（Alice Stanton，前兰格和蔡立慧实验室博士后）及阿博尔生物科技公司高级科学家阿黛尔·布布尼斯（Adele Bubnys，前蔡立慧实验室博士后）领导。
氰染色显示miBrain培养物中整合的六种主要细胞类型。
融合两类模型的优势
模型对脑复杂性的还原度越高，就越适合推断人类生物学运作方式及潜在疗法对患者的影响。在大脑中，神经元彼此及与各种辅助细胞相互作用，所有这些细胞都排列在包含血管等组件的三维组织环境中。这些相互作用对健康至关重要，任何一种都可能引发疾病。
仅含一两种细胞类型的简单培养物相对容易且快速地批量创建，但无法向研究人员展示对理解健康或疾病必不可少的众多相互作用。动物模型体现了脑的复杂性，但维护困难、成本高昂、结果产出缓慢，且与人类差异较大，有时会产生不同结果。
miBrains结合了两类模型的优势，在保留实验室培养细胞系的易用性和速度的同时，使研究人员获得更贴近人脑组织复杂生物学的结果。此外，它们源自个体患者，因此能个性化匹配个体基因组。在该模型中，六种细胞类型自组装成功能单元，包括血管、免疫防御和神经信号传导等特征。研究人员确保miBrains还具备血脑屏障，能够控制包括大多数传统药物在内的物质进入大脑。
“miBrain作为一项科学成就令人振奋，”兰格表示。“在药物开发中减少使用动物模型的趋势，可能使此类系统成为发现和开发新的人类药物靶点的日益重要的工具。”
功能性脑模型的两种理想组合
设计整合如此多细胞类型的模型面临诸多挑战，需要多年时间才能克服。其中最关键的是找到一种能为细胞提供物理结构并支持其存活的基质。研究团队从自然组织中包围细胞的环境——细胞外基质（ECM）——获得灵感。miBrain基于水凝胶的“神经基质”通过定制的多糖、蛋白聚糖和基底膜混合物模拟脑ECM，为所有主要脑细胞类型提供支架，同时促进功能性神经元的发育。
第二种关键组合是细胞比例，以形成功能性神经血管单元。过去几十年来，细胞类型的实际比例一直存在争议，即使最先进的方法也只能提供粗略指导，例如少突胶质细胞占所有细胞的45-75%或星形胶质细胞占19-40%。
研究人员从患者捐赠的诱导多能干细胞开发出六种细胞类型，并验证每种培养的细胞类型都高度还原了自然存在的脑细胞。随后，团队通过实验反复调整，直到找到能形成功能健全、结构正确的神经血管单元的细胞类型平衡。这一费力的过程最终成为miBrains的一个优势特征：由于细胞类型是分别培养的，每种细胞都可进行基因编辑，从而使最终模型能够定制以复制特定健康和疾病状态。
“其高度模块化设计使miBrain脱颖而出，提供了对细胞输入、遗传背景和传感器的精确控制——这些功能在疾病建模和药物测试等应用中非常有用，”斯坦顿表示。
利用miBrain发现阿尔茨海默病机制
为测试miBrain的能力，研究人员开展了一项关于APOE4基因变异的研究，该变异是阿尔茨海默病发展的最强遗传预测因子。尽管星形胶质细胞是已知的APOE蛋白主要生产者，但携带APOE4变异的星形胶质细胞在疾病病理中的作用却知之甚少。
miBrains非常适合此任务，原因有二。首先，它们将星形胶质细胞与其他脑细胞类型整合，从而模拟其与其他细胞的自然相互作用。其次，由于该平台允许团队单独整合细胞类型，因此可在所有其他细胞类型携带非阿尔茨海默病风险基因变异APOE3的培养物中研究APOE4星形胶质细胞。这使研究人员能够分离出APOE4星形胶质细胞对病理的贡献。
在一个实验中，研究人员比较了单独培养的APOE4星形胶质细胞与APOE4 miBrains中的星形胶质细胞。他们发现，只有在miBrains中，星形胶质细胞才表达出许多与阿尔茨海默病相关的免疫反应指标，表明多细胞环境促成了这一状态。
研究人员还追踪了与阿尔茨海默病相关的淀粉样蛋白和磷酸化tau蛋白，发现全APOE4 miBrains会积累这些蛋白，而全APOE3 miBrains则不会，这符合预期。然而，在携带APOE4星形胶质细胞的APOE3 miBrains中，他们发现仍存在淀粉样蛋白和tau蛋白的积累。
随后，团队深入研究了APOE4星形胶质细胞与其他细胞类型的相互作用如何导致其对疾病病理的贡献。先前研究暗示了与脑小胶质免疫细胞的分子对话。值得注意的是，当研究人员在不含小胶质细胞的条件下培养APOE4 miBrains时，其磷酸化tau蛋白的产生显著减少。当研究人员用星形胶质细胞和小胶质细胞共同培养的培养基处理APOE4 miBrains时，磷酸化tau蛋白增加；而用仅含星形胶质细胞或小胶质细胞的培养基处理时，tau蛋白产量并未增加。因此，这些结果提供了新证据，证明小胶质细胞和星形胶质细胞之间的分子对话确实是磷酸化tau蛋白病理所必需的。
未来，研究团队计划为miBrains添加新功能，以更紧密地模拟工作大脑的特征，例如利用微流体技术使血液流经血管，或采用单细胞RNA测序方法改进神经元分析。
研究人员预计，miBrains将推动阿尔茨海默病及其他疾病的研究发现和治疗方法的进步。
“鉴于其复杂性和模块化，未来有无限可能，”斯坦顿表示。“其中包括利用它来深入了解疾病靶点、治疗效果的高级读数以及药物递送载体的优化。”
“我最兴奋的是为不同个体创建个性化miBrains的可能性，”蔡立慧补充道。“这有望为开发个性化医学铺平道路。”
本研究由BT慈善基金会、Freedom Together基金会、Robert A.和Renee E. Belfer家族、Lester A. Gimpelson、Eduardo Eurnekian、Kathleen和Miguel Octavio、David B. Emmes、Halis家族、皮考尔学习与记忆研究所及一位匿名捐赠者资助。
作者：大卫·奥伦斯坦（David Orenstein），皮考尔学习与记忆研究所；本达塔·施罗德（Bendta Schroeder），麻省理工学院科赫综合癌症研究所
关键词：类器官、干细胞、阿尔茨海默病痴呆
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