微孔成团和旋转培养支持批量制备

脑类器官用于药物筛选时,模型之间的大小、细胞组成和发育阶段会影响结果比较。Nature Communications 报道的 Hi-Q 制备方法,从人诱导多能干细胞直接形成神经球,再转入旋转培养,减少逐个包埋和手工转移所带来的差异。

团队设计了具有圆底微孔的培养板:每个大孔内包含 185 个微孔,细胞在有限空间内聚集。初始培养 24 小时使用 ROCK 抑制剂,之后移除;约第 5 天形成大小较一致的神经球,再转入旋转瓶继续分化和成熟。该流程在神经球形成阶段不使用 Matrigel 包埋。

旋转培养中的神经球先培养 4 天,再使用含 SB431542 和 Dorsomorphin 的分化培养液;约 21 天后转入不含这些抑制剂的成熟培养液。研究使用每瓶 75 mL 的培养体系,转速为 25 rpm,并可继续培养到第 150 天。

研究共使用 6 个独立遗传背景的细胞系,在 39 批培养中制备约 1.5 万个类器官。不同批次和细胞系的模型大小比较显示较高一致性,培养过程中多数模型保持完整。批量产出和模型一致性为后续多孔板筛选提供了基础。

比较细胞组成与神经活动,测试冻存后恢复

单细胞分析覆盖第 60、90 和 150 天的模型,检测到神经前体、径向胶质细胞、兴奋性和抑制性神经元等细胞群。随培养时间延长,成熟神经元相关标志增加;同一阶段的模型在细胞组成上较相似,不同发育阶段则存在差异。

为检验批次一致性,团队还比较了 3 个独立批次的第 25 天模型,神经前体、增殖前体和早期神经元的比例未见显著差别。后续第 60、90 和 150 天的单细胞分析共覆盖 16,228 个细胞,显示模型发育阶段会影响细胞组成。

培养应激相关基因的表达低于所比较的既有类器官数据,但仍高于成人脑数据。与经胚状体形成的模型相比,Hi-Q 模型保留较多增殖细胞,成熟程度相对较低。

钙成像中,各年龄组约有 42%–54% 的受测细胞表现出活动。加入 1 µM 河豚毒素后,自发钙信号明显减弱;谷氨酸受体阻断剂也降低相应刺激引起的反应。这些药理学比较支持模型中形成具有功能活动的神经网络。

研究还测试了早期类器官的冻存:第 18 天模型复苏后可继续培养,恢复率至少约 75%;较晚阶段模型按相似条件冻存后恢复较差。

用侵袭成像筛选 180 种化合物

药物筛选将第 50 天的脑类器官与患者来源、带 mCherry 荧光标记的胶质瘤干细胞共同培养。研究使用 #450 细胞系,加入约 5,000 个单细胞或细胞球后,观察其进入脑类器官的行为。红色荧光信号用于识别进入模型的肿瘤细胞。

初筛包含 180 种已知靶点的化合物,每种以 5 µM 测试,并在 24 和 72 小时进行自动成像。软件先定位类器官区域,再计数其中的肿瘤细胞荧光斑点;两个时间点均只有 0 或 1 个斑点的化合物被视为初筛命中。

初筛得到 16 种候选,团队选其中抑制作用较强的 10 种,以 1 µM 继续测试。司美替尼和氟维司群在后续比较中抑制了胶质瘤细胞侵袭。高分辨率三维成像进一步测量侵入深度、侵袭细胞数量及其占据类器官的体积分数,为初筛信号提供了空间层面的验证。

脑类器官中的胶质瘤细胞侵袭、化合物筛选及候选药物三维成像结果。

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脑类器官中的胶质瘤细胞侵袭、化合物筛选及候选药物三维成像结果。(Ramani et al. / Nature Communications, 2024, Fig. 7;CC BY 4.0;PMC)

候选药物联用在小鼠中继续评价

体外筛选之后,团队将另外 2 株患者来源胶质瘤干细胞 #1 和 #472 植入免疫缺陷小鼠脑内。植入 1 周后开始司美替尼与氟维司群联用,持续 3 周,再通过脑组织切片和成像评价肿瘤体积及扩散。

与生理盐水组相比,联用组的肿瘤体积较小,肿瘤细胞在脑室壁、胼胝体和视束等区域的扩散也减少。小鼠实验评价的是两药联用,所用肿瘤细胞系也与类器官初筛不同。

同一培养流程还用于两种遗传病建模

除胶质瘤药筛外,研究还用患者来源细胞建立 CDK5RAP2 相关小头畸形和 Cockayne 综合征模型,分别观察到神经前体维持或脑组织结构方面的异常。疾病建模与侵袭实验共同展示了同一批量培养方法的不同用途。

CDK5RAP2 变异模型较小,神经前体组织排列和分裂方向发生改变;Cockayne 综合征模型早期较大,随后结构塌陷,并出现 DNA 损伤与细胞死亡标志增加。两个模型的异常有所不同,说明同一制备流程可用于观察不同遗传背景的表型。

药筛部分属于可行性验证,重点是证明脑类器官能作为肿瘤侵袭的三维测试环境。该模型的神经发育成熟度、培养应激和不同遗传背景仍是实验设计中的重要变量;研究尚未评价这些筛选结果与患者治疗反应的对应关系。

来源与延伸阅读

  1. Reliability of high-quantity human brain organoids for modeling microcephaly, glioma invasion and drug screening. Nature Communications (2024). ↗