Neurosci Bull 综述︱构建神经管类器官的研究进展和挑战

来源︱岚翰生命科学”姊妹号“逻辑神经科学”

撰文︱李  鹏

责编︱王思珍

编辑︱杨   婵

神经管闭合缺陷（neural tube defects，NTDs）是一种严重的早期神经发育疾病，发病率高达0.1%[1]。目前的预防措施之一就是在怀孕前的3个月和怀孕期的前3个月服用适量的叶酸，该方法可预防约70%的NTDs，但是仍有部分的病例发生[2]。由于该疾病本身具有发病早，难发现且难干预的特性，使得研究者们在探索发病机制上面临着挑战。再加上环境因素和多基因突变致病的多因素变量干扰，使得该疾病的研究更加困难。而近些年兴起的类器官给该疾病的研究带来一些曙光。类器官可以在体外模拟各种致病因素，例如单个或多个基因突变，不同发育环境等。这在一定程度上是符合研究神经管发育的特性的。所以利用神经管类器官（neural tube organoids，NTOs）有望更好地理解NTDs的发病机制。

2022年6月26日，昆明理工大学陈永昌教授团队在Neuroscience Bulletin上发表了题为“Progress in  Modeling Neural Tube Development and  Defects by  Organoid Reconstruction”的综述。博士生李鹏为论文的第一作者，陈永昌教授为通讯作者。在该综述中，作者详细的阐述了神经管的发育过程和NTOs的研究进展和当前研究面临的挑战，并从NTOs的培养、高新技术在NTOs中的应用和NTOs潜在的应用价值等方面做了详细的说明。

研究进展

一、NTOs的培养

在类器官被广泛应用于神经科学研究之前，实验动物的神经组织通常被用来揭示神经系统的形态。虽然这种方法极大地促进了早期神经科学的发展，但其局限性也值得注意，例如难以准确获取材料以及无法观察动态发育过程。胚胎干细胞和诱导多能干细胞的出现正好弥补了这些不足，为研究人员提供了在体外探索特定细胞和组织分化能力的可能。在神经板到神经管的发育过程中，极性蛋白可以迁移到特定位置，而体外神经花环在极性方面就可以模仿这一过程。在二维培养中，神经上皮细胞的形态可以发生变化；在其内部，极性蛋白也可形成致密的管腔结构。这些现象为研究神经管发育的极性发生提供了一个体外模型。二维系统拥有其简单的操作和成熟的培养方法，在早期的NT发育研究中非常适用。然而，要进一步研究神经管不同区域的发育变化，二维培养体系是不够的。因此，自然产生了三维培养的概念，这个新颖的系统侧重于探索神经管发育三维结构。与二维体系相比，三维培养可以帮助研究人员模拟体内部分的动态过程。但三维培养流程也相对复杂，具体分化示意图可参考（图1）。

图1 体外构建神经管类器官示意图

（图源：Li P, Chen Y, Neurosci Bull, 2022）

二、NTOs潜在的应用方向

类器官可以被很好的用于研究NTDs的发病机制。研究表明，上百个单基因突变可导致NTDs。目前备受关注的突变基因包括Vangl2、Wnt5a、Shroom3等[3]。然而，由这些突变引起的NTDs的发病机制仍不清楚。利用动物模型研究这些突变的致病机制，面临着成本高、操作复杂等诸多问题，而类器官在这方面的研究具有突出的优势。突变干细胞可以通过基因敲除获得，然后进行定向培养和体外分化。这些可以进一步结合表型差异和基因表达差异的分析来探索发病机制。这是NTOs的重要应用场景之一。另外，NTOs可以作为药物高通量筛选的有效平台，比如使用成熟的基因编辑系统（CRISPR/Cas9，单碱基编辑系统）获得具有特定突变的干细胞系，然后与NTOs的分化系统结合进行体外研究，并探究可能的治疗靶点或展开基因治疗。这也是个性化治疗的常用手段。在此基础上，可以筛选出对患者有效的药物。与动物模型相比，NTOs具有更低的实验成本。这在药物毒性和有效性的早期测试中起着重要作用。

三、类器官研究仍然存在诸多挑战

从外胚层内陷到神经管的闭合是一个多组织、多因素调控的共同结果。这个阶段详细的发育机制尚未被研究清楚。而类器官只是模拟神经上皮的一个单一因素的结果，这还不足以全面概括神经管发育的所有因素。此外，NT的背侧和腹侧发育受各种因素的不同组合调节，这在体外是极难模拟的。如果要解决这些问题，就需要精细分析神经发育早期的生理环境（如小因子的种类和具体浓度、周围环境的压力和温度等等）和外界因素的干扰，这样才能使类器官能够更好地发挥作用。另外，哺乳动物的发育时间轴是相对固定的。这可能是长期进化导致的结果。因此，神经管发育的时间线也是相对固定的。体内神经管完全闭合的时间约为4周，在此期间还会产生神经元。然而，在当前的NTOs培养中，体外培养周期与体内发育所需的时间相差甚远，而导致NTOs不足以反映体内的真实发育情况。且这种发育时间的差异是否会影响机制的研究，仍值得我们进一步讨论。如果想要进一步解决这些问题，仍需要我们对不同物种的发育时间线进行透彻的分析，同时尽可能真实地模拟体内的发育环境，从而解决上述挑战。

结论与展望

从发现海绵细胞的自组织现象开始，类器官研究从概念到应用经历了数十年的发展。逐渐成熟的培养体系和先进的分析技术加强了类器官在生物医学中的应用。尽管类器官研究中存在的问题有待解决，但它们对未来生物医学研究的潜在价值是不可否认的。在未来的类器官研究中，组织工程技术与类器官的联合培养和多种类器官共培养的研究可能是很好的发展方向。总而言之，我们应该积极评价类器官研究在神经科学领域的有效应用，并用实际行动来解决目前存在的各种挑战，使类器官在生物医学中发挥更大的价值。

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s12264-022-00896-9

研究团队合影

（照片提供自：昆明理工大学陈永昌教授团队）

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参考文献：

[1] Zohn IE. Mouse Models of Neural Tube Defects. Adv Exp Med Biol 2020, 1236: 39-64.

[2] De Marco P, Merello E, Cama A, Kibar Z, Capra V. Human neural tube defects: genetic causes and prevention. Biofactors 2011, 37: 261-268.

[3]  Andre P, Wang Q, Wang N, Gao B, Schilit A, Halford MM, et al. The Wnt coreceptor Ryk regulates Wnt/planar cell polarity by modulating the degradation of the core planar cell polarity component Vangl2. J Biol Chem 2012, 287: 44518-44525.

本文完