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人脑类器官在实验室中培育出对光有反应的模拟眼睛

这张图片显示了一个带有视杯的大脑类器官。来源:埃尔克加布里埃尔

根据 2021 年 8 月 17 日发表在《细胞干细胞》杂志上的一项研究,人类诱导的多能干细胞 (iPSC) 可用于生成含有称为视杯的眼睛结构的大脑类器官。这些类器官从类脑区域的前部自发地形成了双侧对称的视杯,证明了 iPSC 在高度复杂的生物过程中的内在自模式能力。

杜塞尔多夫大学医院的资深研究作者杰伊·戈帕拉克里希南说:“我们的工作突出了大脑类器官产生原始感觉结构的非凡能力,这些感觉结构对光敏感,并且拥有与体内发现的细胞类型相似的细胞类型。” “这些类器官可以帮助研究胚胎发育过程中的脑-眼相互作用,模拟先天性视网膜疾病,并为个性化药物测试和移植治疗生成患者特异性视网膜细胞类型。”

人类大脑发育和疾病的许多方面都可以使用源自多能干细胞的 3D 大脑类器官进行研究,多能干细胞可以产生身体中的所有细胞类型。研究人员之前使用人类胚胎干细胞来生成视杯,从而产生视网膜——眼睛后部的感光组织层。另一项研究表明,可以从 iPSC 中生成类似视杯的结构,这些 iPSC 来源于已通过基因重编程回到胚胎样多能状态的成体细胞。

这个图形摘要显示了光学囊泡脑类器官是如何开发的。图片来源:Gabriel et al./Cell Stem Cell

过去,用多能干细胞制造视杯的重点是生成纯视网膜。到目前为止,视杯和其他 3D 视网膜结构尚未在功能上整合到大脑类器官中。

为了实现这一壮举,Gopalakrishnan 和他的团队修改了他们之前开发的将 iPSC 转化为神经组织的协议。人脑类器官形成视杯,最早在 30 天内出现,并在 50 天内成熟为可见结构。这一时间框架与人类胚胎中视网膜发育的时间框架相似,并且可以使某些类型的发育神经生物学实验更有效。

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在来自四个 iPSC 供体的 16 个独立批次中,研究人员生成了 314 个脑类器官,其中 72% 形成了视杯,表明该方法具有可重复性。这些结构包含多种视网膜细胞类型,它们形成了对光有反应的电活性神经元网络。视杯脑类器官还包含晶状体和角膜组织,并表现出与大脑区域的视网膜连接。“在哺乳动物的大脑中,视网膜神经节细胞的神经纤维伸出来与它们的大脑目标连接,这是以前在体外系统中从未展示过的一个方面,”Gopalakrishnan 说。


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在未来的研究中,他们计划制定策略以使视杯长时间保持活力,并利用它们来研究导致视网膜疾病的机制。