个体间的遗传变异会对许多疾病的易感性和进展有显著影响。

例如，某些遗传变异可能增加个体患特定癌症的风险，而其他变异则可能提供一定程度的保护。在神经退行性疾病如阿尔兹海默病中，特定的遗传变异已被证实与疾病的发生和严重程度密切相关。

遗传变异还可能影响个体对药物的反应，即药物基因组学。这解释了为什么相同剂量的药物在不同个体中可能产生不同的疗效和副作用。

然而，虽然可以在体外系统中检测到个体易感性的影响，但由于缺乏可靠的人类细胞模型，既忠实于内源性人类生物学又可以扩展到许多人的实验模型极其有限，致使研究人类个体大脑在正常发育和疾病表型方面如何不同的努力受到限制。

幸运的是，这一研究困境正在被打破。

近日，哈佛大学干细胞和再生生物学教授Paola Arlotta与麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所的研究人员，创造了所谓的“人脑嵌合体”（Brain Chimeroids）。通过在神经干细胞（NSC）或神经祖细胞（NPC）阶段重新聚集来自多个单供体类器官的细胞，生成人脑嵌合体，使每个供体在单个类器官中产生大脑皮质的所有细胞谱系。

这个革命性的研究平台，提供了了解不同人类大脑的细胞如何对神经毒性触发因素、基因突变和潜在的治疗化合物做出反应的独特视角，有望改变科学家研究人类大脑及其对各种刺激反应的方式。高通量、可复制、多细胞系的“嵌合体”模型或可为神经系统疾病个体差异提供重要依据，为研究人类大脑发育和疾病中的个体差异提供了可扩展的创新平台。

可复制、多细胞系的

人脑嵌合体应运而生

人类大脑的最外层，即大脑皮层，是一个非常复杂和错综复杂的结构，具有特殊的功能和精心策划的发育，这在哺乳动物中是独一无二的。在皮质发育过程中，遗传因素和环境因素可能导致神经发育障碍的脆弱性，然而，使人类皮层与众不同的每个特征也使研究具有挑战性。

你是否曾好奇，为什么有些人对酒精或药物特别敏感，而另一些人却似乎毫无影响？如果我们能在实验室里用微型大脑模型来模拟这些反应，结果会是如何呢？

然而，个体间的遗传变异会影响许多疾病的易感性和进展，但由于缺乏忠实的人类细胞模型，以及当前系统难以扩展以代表多个人群，研究个体人类大脑在正常发育和疾病表型方面的差异受到限制。

此前已有研究表明，人类的大脑相较于黑猩猩等灵长类动物更为复杂，使用其他物种作为研究模型无法还原人脑的精密程度和发育机制。

科学家们一直寻找更先进、更高效的解决方法。

随着前沿热点技术类器官的出现，人脑类器官模型可以更逼真地模拟内源性大脑的细胞复杂性和发育事件。近年来利用脑类器官研究人脑发育和疾病机制，备受学术界关注。

哈佛大学Paola Arlotta团队利用一种高度可重复的多供体人脑皮质类器官模型——人脑嵌合体（Brain Chimeroids），表明了他们的新发现将为大脑研究带来新路径。

△ 人脑嵌合体模型

这个“人脑嵌合体”类器官模型由来自一组（5个）个体供体（健康体或者带病体）的细胞在单个类器官中共同开发而生成，研究团队使用这些细胞开始类器官生长的过程，使它们分化成他们想要的神经祖细胞（NPC）类型。

△ NSC-嵌合体在细胞类别中维持供体代表性

接着，研究人员将每一个前类器官组织样本分成多个部分，然后将它们混合到单个类器官中，以统一实验条件。这类似于面包师在混合物中加入不同颜色的面糊，制成五颜六色的彩虹蛋糕。一种类似的概念方法，称为“细胞村”方法，已用于2D干细胞培养。

研究人员再将类器官分解重组（重新聚集）细胞形成“嵌合体”，其中每个供体都会产生大脑皮层的所有细胞谱系，即使使用具有明显生长偏差的多能干细胞（PSC）系也是如此。（如下图）根据DNA和RNA测试显示嵌合体已经成长为多细胞系的类器官。

△  多供体大脑皮层类器官嵌合体的形成过程

通过单细胞RNA测序（scRNA - seq）分析，发现NSC - 嵌合体中的细胞类型组成与预期相符，且不同供体的细胞在类器官中均匀分布。

研究个体对神经毒性的

易感性差异的创新模型

研究人员还利用嵌合体研究了个体对神经毒性触发物敏感性的差异。

嵌合体可以在不需要预选多能干细胞（PSC）系的情况下，保持供体间的细胞类型平衡，提供了研究个体间对神经毒性诱发剂（如乙醇和丙戊酸）易感性的新工具。

怀孕期间经常摄入乙醇（酒精）或丙戊酸（VPA，一种用于治疗癫痫的药物）与儿童的神经发育障碍有关。使用嵌合体，研究人员探索了这些化合物如何影响神经元发育。

他们首先将嵌合体暴露在乙醇中，试图发现其如何影响来自不同人的细胞的神经生长，并发现了差异，表明饮酒会根据人们的基因构成对他们的大脑产生不同的影响。

△ NSC-嵌合体揭示了不同的供体特异性易感性

有趣的是，他们发现特定细胞类型的变化与临床结果一致，但效应的性质-通过基因表达谱的变化来衡量-在细胞系之间有所不同。

这些发现不仅开始解释为什么这些类型的暴露在个体中不会以相同的严重程度表现出来，而且还强调了遗传背景会影响人类大脑皮层发育的研究。表明嵌合体将为这些研究带来的均匀性和可扩展性的价值。

△ 大脑嵌合体的组成

嵌合体是一种令人兴奋的工具，将在神经发育领域广泛采用，可能具有多种应用。

来自类器官的细胞可以在解离和重新聚集中存活下来的发现为皮质类器官的实验可处理性的扩展铺平了道路。例如，在传统的类器官培养物中，位于组织深处的祖细胞不会暴露于能够打开或关闭目标基因的试剂。在再聚集步骤中引入这种分子扰动意味着构成类器官的所有细胞都暴露在外，使研究人员能够评估大量细胞类型是如何受到影响的。

同时，嵌合体还为细胞移植研究提供了机会，其中代表不同大脑区域、细胞谱系或细胞类型的类器官可以一起培养，以探索它们之间的相互作用。

总的来说，该研究为深入理解个体对神经毒性的易感性差异提供了新的模型和视角，有助于未来针对个体差异进行更精准的疾病预防和治疗。

未来，通过扩大供体池规模和自动化细胞培养系统，嵌合体系统有望增加新功能并实现多细胞系应用范围的进一步扩展。随着类器官“生物库”用于在重新聚集之前的中间阶段冷冻类器官，这将为实验时间表提供一定的灵活性，为药物测试和疾病研究提供更广泛的数据支持。

参考文献：

[1] Antón-Bolaños, N., Faravelli, I., Faits, T. et al. Brain Chimeroids reveal individual susceptibility to neurotoxic triggers. Nature 631, 142–149 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07578-8