脑部器官提供了新的洞察关键酶在自然脑发育中的作用

和世界上许多人一样，麻省理工学院Picower学习和记忆研究所的Mriganka Sur教授的实验室已经采用了大脑器官的年轻技术，即“微型大脑”，用于研究人类在健康和疾病方面的大脑发育。通过对复杂组织培养过程中的共同实践做出令人惊讶的发现，该实验室产生了新的指导，可以使这项技术更好，同时也对普遍存在的酶在天然大脑发育中所起的重要作用有了新的认识。

为了制造器官，科学家从供体中提取皮肤细胞，诱导它们成为干细胞，然后在生物反应器中培养这些细胞，通过添加生长因子和其他化学物质指导它们的发育。在数周的时间里，干细胞变成了祖细胞，然后繁殖成为神经元或其他脑细胞类型的“分化”细胞。在此过程中，细胞也会在不断生长的小块中迁移，以取代它们的位置，形成基本的大脑结构和回路。

因此，细胞器的一个美妙之处在于，当培养中的细胞一起生长和发展时，它们模拟了当真正的大脑形成时发生的许多基本过程。当细胞供体拥有导致疾病的基因时，从细胞中生长出来的细胞器就会产生潜在的疾病特征。SUR实验室使用有机体来研究Rett综合征中的大脑发育异常，这是一种具有遗传基础的毁灭性自闭症样疾病。

在实验室中，一个常见的做法是通过添加一种名为chir 99021的小分子化学物质来抑制一种名为GSK 3-β的天然酶的活性，从而提高细胞的活力。在新的研究中PLOS一号皮考尔研究员ChloéDelépine领导的研究小组证实，虽然不同剂量的Chir 99021确实能使细胞存活，但它们对细胞器生长有相反的影响--低剂量促进生长，但高剂量限制生长，而且非常高的剂量会完全阻止细胞生长。这些信息本身对使用不同剂量CHIR 99021的实验室有着明显的意义，但由于德莱松的团队研究了这些生长效应是如何发生的，它也有助于澄清GSK 3-β活动在大脑发育过程中的影响。

这是个重要的问题。例如，其他研究小组已经表明，涉及脑内GSK 3-β的信号通路的扰动与精神分裂症和孤独症有关。新发现模拟了不同程度的抑制对发育的影响。

它不仅提高了细胞的活力，也改变了其他细胞的进程，如分裂、分化和迁移。我们的想法是测试不同剂量的效果，并更好地了解我们观察到的这些机制。

ChloéDelépine，Picower研究员

在三个列表中显示了八个细胞器。它们看起来像不规则的白色斑点。一个刻度标记显示它们的宽度约为3毫米。

根据CHIR 99021的剂量，有机物有不同程度的生长。控件在左侧，中间接受低剂量的治疗，右边的人接受了高剂量的治疗。

不同的剂量，相反的效果

为了进行这项研究，德莱平的研究小组培养了器官，并从发育的第15天到第35天，用惰性对照剂或1、10或50的CHIR 99021对它们进行了测试。然后，他们通过染色追踪细胞的各种特性，并对这些特性的不同分子标记进行染色。

她立刻注意到，器官的大小因所受剂量的不同而有很大差异。小剂量(1微摩尔)细胞器比对照组大1.6倍，而高剂量(10微摩尔)小1.8倍，极高剂量(50微摩尔)细胞器在早期完全停止生长。

生长差异并不是因为细胞死亡。如预期的那样，实验室使用CHIR 99021提高细胞存活率，加入CHIR 99021增强细胞活力，高剂量组的效果比低剂量组强。但是，当实验室对细胞增殖或分裂的标记进行染色时，他们发现高剂量的细胞器显示的较少，而低剂量的细胞器则比对照组得更多。

当研究小组观察另一种可能影响生长的细胞活动时，他们发现了类似的模式。在高剂量的细胞器中，分化为神经祖细胞的细胞较少，产生新的神经元所需的细胞较少，而小剂量的细胞器增殖增加。因此，大剂量的细胞器神经元较少。

此外，低剂量的CHIR 99021可使新生神经元迁移到器官结构发育所需的地方，这表明GSK 3β的轻微抑制有助于增加迁移。

德莱松指出，低剂量或高剂量的生长限制效应并不是“好”或“坏”。它们只是对文化的控制。这项新的研究为如何使用CHIR 99021来达到预期的目的提供了更多的见解。

“这真的取决于你正在做的器官研究的目标，”她说。“取决于你想要什么，不同剂量的这种分子可以帮助你获得不同的表型。”

研究表明，在自然大脑中，GSK 3-β很可能在祖细胞的增殖、分化为成熟脑细胞以及这些细胞迁移的倾向中起着关键作用。

更多资料：Delepine, C., et al. (2021) GSK3ß inhibitor CHIR 99021 modulates cerebral organoid development through dose-dependent regulation of apoptosis, proliferation, differentiation and migration. PLOS ONE. doi.org/10.1371/journal.pone.0251173.