麻省理工学院研究人员开发出一种新型三维人脑组织平台，这是首个将所有主要脑细胞类型（包括神经元、胶质细胞和血管系统）整合到单一培养物中的模型。
这些模型——被称为多细胞整合大脑（miBrains）——由个体捐赠者的诱导多能干细胞培养而成，能够复制人脑组织的关键特征和功能，可以通过基因编辑轻松定制，并且可以大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miBrains对于需要更复杂的活体实验室模型来更好地理解脑生物学和治疗疾病的科研人员和药物开发者来说可能价值巨大。
"miBrain是唯一包含人脑中所有六种主要细胞类型的体外系统，"学习与记忆皮考尔研究所所长、Picower教授、描述miBrains的开放获取研究报告的高级作者李惠仪（Li-Huei Tsai）表示。该研究报告于10月17日发表在《美国国家科学院院刊》上。
"在首次应用中，miBrains使我们能够发现阿尔兹海默症最常见的遗传标记之一如何改变细胞相互作用以产生病理变化，"她补充道。
李惠仪的共同高级作者是David H. Koch (1962)研究所教授Robert Langer以及纽约西奈山伊坎医学院副教授Joel Blanchard（他曾是李实验室的博士后）。该研究由Alice Stanton（曾是Langer和李实验室的博士后，现为哈佛医学院和麻省总医院助理教授）和Adele Bubnys（曾是李实验室的博士后，现任Arbor生物技术公司高级科学家）领导。
两类模型的优势结合
模型越接近大脑的复杂性，就越适合推断人类生物学如何运作以及潜在疗法如何影响患者。在大脑中，神经元彼此相互作用，并与各种辅助细胞相互作用，所有这些都排列在包含血管和其他成分的三维组织环境中。所有这些相互作用对健康都是必需的，任何一种都可能导致疾病。
仅包含一种或几种细胞类型的简单培养物可以相对容易和快速地大量创建，但它们无法告诉研究人员对理解健康或疾病至关重要的无数相互作用。动物模型体现了大脑的复杂性，但可能难以维护、成本高昂、结果产出缓慢，并且与人类足够不同，有时会产生不同的结果。
miBrains结合了每种模型的优势，保留了实验室培养细胞系的大部分可及性和速度，同时允许研究人员获得更能反映人脑组织复杂生物学的结果。此外，它们源自个别患者，使其针对个体的基因组进行个性化。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还具有血脑屏障，能够控制哪些物质可以进入大脑，包括大多数传统药物。
"miBrain作为一项科学成就非常令人兴奋，"Langer表示。"最近在药物开发中减少使用动物模型的趋势可能会使此类系统成为发现和开发新的人类药物靶点的越来越重要的工具。"
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提出了需要多年才能克服的挑战。其中最关键的是确定一种能够为细胞提供物理结构并支持其存活率的基质。研究团队从自然组织中包围细胞的环境——细胞外基质（ECM）中获得灵感。miBrain基于水凝胶的"神经基质"模仿大脑的ECM，采用多糖、蛋白聚糖和基底膜的定制混合物，为大脑的所有主要细胞类型提供支架，同时促进功能性神经元的发育。
第二种混合物也证明至关重要：产生功能性神经血管单元的细胞比例。过去几十年来，细胞类型的实际比例一直是一个有争议的问题，即使更先进的方法也只能提供粗略的指导，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，验证每种培养的细胞类型都紧密再现了自然发生的脑细胞。然后，研究团队通过实验迭代，直到找到产生功能性、结构正确的神经血管单元的细胞类型平衡。这种繁琐的过程最终成为miBrains的一个有利特征：因为细胞类型是单独培养的，所以每种细胞都可以进行基因编辑，从而使最终模型能够定制以复制特定的健康和疾病状态。
"其高度模块化的设计使miBrain脱颖而出，提供对细胞输入、遗传背景和传感器的精确控制——这些功能对疾病建模和药物测试等应用非常有用，"Stanton说。
使用miBrain发现阿尔兹海默症机制
为了测试miBrain的功能，研究人员开始研究基因变异APOE4，这是阿尔兹海默症发展的最强遗传预测因子。虽然一种脑细胞类型——星形胶质细胞——已知是APOE蛋白的主要生产者，但携带APOE4变异的星形胶质细胞在疾病病理学中的作用却知之甚少。
miBrains非常适合这项任务，原因有两个。首先，它们将星形胶质细胞与大脑的其他细胞类型整合在一起，因此可以模拟它们与其他细胞的自然相互作用。其次，因为该平台允许团队单独整合细胞类型，所以可以在所有其他细胞类型都携带APOE3（一种不会增加阿尔兹海默症风险的基因变异）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，研究人员检查了单独培养的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许多与阿尔兹海默症相关的免疫反应指标，这表明多细胞环境有助于该状态。
研究人员还追踪了与阿尔兹海默症相关的蛋白质淀粉样蛋白和磷酸化tau蛋白，发现全APOE4 miBrains会积累这些蛋白质，而全APOE3 miBrains则不会，正如预期的那样。然而，在带有APOE4星形胶质细胞的APOE3 miBrains中，他们发现APOE4 miBrains仍然表现出淀粉样蛋白和tau蛋白的积累。
然后，研究团队深入研究了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。先前的研究已经暗示与大脑小胶质免疫细胞的分子交叉对话。值得注意的是，当研究人员在没有小胶质细胞的情况下培养APOE4 miBrains时，它们的磷酸化tau蛋白产生显著减少。当研究人员用来自星形胶质细胞和小胶质细胞的培养基处理APOE4 miBrains时，磷酸化tau蛋白增加，而当他们用单独来自星形胶质细胞或小胶质细胞的培养基处理时，tau蛋白的产生并未增加。因此，这些结果提供了新的证据，证明小胶质细胞和星形胶质细胞之间的分子交叉对话确实是磷酸化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管中产生流动，或使用单细胞RNA测序方法改进神经元的分析。
研究人员预计，miBrains可以推动阿尔兹海默症及其他疾病的发现研究和治疗方法。
"鉴于其复杂性和模块化，未来方向无限，"Stanton说。"其中，我们希望利用它来获得对疾病靶点的新见解、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，"李教授补充道。"这有望为开发个性化医疗铺平道路。"
该研究的资金来自BT慈善基金会、自由团结基金会、Robert A.和Renee E. Belfer家族、Lester A. Gimpelson、Eduardo Eurnekian、Kathleen和Miguel Octavio、David B. Emmes、Halis家族、皮考尔研究所和一位匿名捐赠者。
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