大脑类器官在神经系统领域的研究又有新突破！近日，斯坦福大学研究团队受日本折纸艺术启发，开发出“折纸电子器件”平台。通过这个三维篮状装置，可支持长期记录在悬浮液中培养的大脑类器官生长和电活动，这为深入研究神经系统相关疾病及活动模式提供了全新的体外模型。类器官技术与光遗传学和药理学等跨学科整合，有望突破以往疾病研究模式，打造更优质、更精准的体外研究模型。
大脑是人体内最神奇且最重要的器官之一，古今中外，科学家一直醉心研究其复杂性及功能性，致力于揭示大脑深层的奥秘，探寻认知和思维的本质。
然而，人类大脑复杂的神经回路是如何在产前发育过程中形成和成熟的呢？由于研究模型的缺失，这一直是困扰科学家的一大难题。
随着再生医学的发展，“类器官”模型成为科学家体外研究大脑神经发育和疾病的绝佳场所。为深入研究大脑早期发育机制提供了切入点。
但要实现类器官和类器官组装体在模拟神经发育和疾病方面的全部潜力，就需要改进长期、微创记录电活动的方法。就目前的技术（如膜片钳、穿透式微电极、平面电极阵列和基板附着的柔性电极）来看，要想长期记录在悬浮液中的类器官颇有难度。
如何能同时兼顾保持结构的稳定性与记录电活动的长周期，成了横亘在科学家面前的新课题。
幸运的是，“答案”总在不经意间出现，《Nature Biotechnology》（影响因子IF=46.90）杂志刊登的论文[1]，详细记录了这个解答过程。
受到东方折纸（Kirigami）艺术的灵感启发，来自斯坦福大学Bianxiao Cui、Sergiu P. Pașca等科研人员，开发了一种复杂的、柔性的折纸电子器件（kiri—E）平台，从二维过渡到三维篮状配置，具有螺旋或蜂窝图案，以适应悬浮类器官的长期培养。
该系统支持大脑类器官的长期（120天）生长和电记录，有望对神经精神疾病中大脑回路的形成及其失调进行严格分析。
△ 利用日本折纸艺术设计的“窃听”人脑类器官的“折纸电子器件”装置。
01
大脑类器官：
研究大脑早期发育的重要模型
大脑神经回路（neural circuit）是指大脑神经元相互连接而形成的大脑网络的电活动路径。
大脑由数十亿个神经元组成，这些神经元通过突触相互连接。当神经元受到刺激时，它会生成一个电信号，称为动作电位。大脑神经回路通过神经元之间的相互作用和信息传递，实现复杂的认知功能。
在胚胎发育期间，人脑就开始组装复杂的神经回路。尽管这些相互交织的联系可能决定了认知能力的下限和上限，但无法直接研究产生它们的生物过程。
近年来出现的类器官技术为研究大脑早期发育提供了全新思路。
大脑类器官是由多能干细胞生长而成的三维神经细胞簇。这些微小的组织，以毫米为单位，概括了大脑的一些关键特征，如组织形态、细胞类型组成和某些功能方面。
△ 四张不同人类胎儿大脑器官的放大图像。
它们可以长期培养，随着时间的推移，会发展出不同的细胞类型和突起，并表现出内在的活性。人类大脑类器官甚至被植入动物大脑，在那里它们整合到电路中并改变行为。
在现有技术条件下，测量大脑类器官电活动的技术（比如膜片钳、硅探针和多电极阵列等），不仅需要特殊的制备，而且不能较好地适应纵向研究的类有机物。
然而，大脑神经回路在类器官体外培养模型中成熟可能需要花费几个月的时间（与体内的发育时间框架相似），这对生长和分化过程中神经活动的纵向研究提出了挑战。科学家们能否创造新机遇，突破这个技术难题呢？
02
当折纸艺术遇上类器官
科学技术的难题迎刃而解
为了长期跟踪记录在悬浮液生长起来的类器官，科研人员尝试寻求一种足够灵活的结构，用来支撑生长中的类器官模型。
受折纸艺术的启发，研究人员开发出柔性电子元件，可从二维结构过渡到三维的篮状结构，具有螺旋或蜂巢图案，以适应悬浮液中类器官的长期培养。
△ 日本折纸艺术的部分形态展示。
起源于日本的“折纸”（kirigami）艺术，是一种将纸张折叠成各种形状和模型的传统艺术。kirigami（日语“切割和折叠”的意思）是折纸艺术的一种特殊形式，与普通的折纸不同，由于使用剪刀或刀片在纸张上进行切割和折叠，容易创造出更为复杂和精细的图案和设计。
为了优化平衡灵活性和机械鲁棒性的设计，他们使用有限元模拟框架来量化负载下的变形，并确定应力如何在不同位置累积。科研团队最终确定了一种直径为1cm的螺旋形篮状设计，这个篮子上有32个直径为25μm的嵌入式微电极阵列。
这个3D结构的电子元件，可以在最小应变下适应类器官的重量，并且足够“坚硬”，可以在悬浮液中耐受数月。
△ Kiri-E的设计、优化和制造，用于长期的KiriE-人类皮质类器官集成。
研究人员将这个3D结构命名为“折纸电子器件（kiri-electronic）”，它能与大脑皮层类器官集成并实现长达120天的持续记录。
如此以来，Kiri-E平台顺利实现了利用折纸艺术对大脑类器官长期跟踪“窃听”的目的，同时还保留了其形态、细胞结构和细胞组成，为揭示大脑神经系统深层电活动模式提供了创新研究范式。
△ KiriE记录捕捉了皮质纹状体装配类中与疾病相关的表型和神经活动。
同时，这个Kiri-E平台可以在光遗传刺激后捕捉类器官组装体中的皮层纹状体连通性，通过与光遗传学和药理学的操作整合，建立与遗传疾病相关的表型模型。对于研究神经系统组装背后的疾病和活动模式将起到积极作用。
03
类器官+基因测序
拓宽传统医学研究边界
为了确定“折纸电子器件”Kiri-E平台的性能，通过一系列活细胞成像、免疫荧光和单细胞RNA测序研究，他们证明KIri-E可以嵌入深度为300-500μm的皮质类器官中，而不会显著改变类器官的形态或细胞组成。此外，KiriE可用于体外监测类器官组装体中的电路连接性。
接下来，研究人员还发现，诱导后75天开始的纵向记录（dpi）开始显示100dpi的自发电活动。在大多数细胞中，这种活性在数天内保持稳定，并且活性至少持续到179dpi终止实验为止。由此可见，KIri-E平台能可靠地记录人类皮层类器官的自发或诱发活动。
△ Kirigami-电子设备孕育并监测人脑类器官组装体的发展。
在可以预见的未来，评估类器官是否逐渐发展出巨大的去极化电位、GABA极性开关和振荡波，这被认为是发育中的胎儿神经系统的特征，将是一件有趣的事情。
随着类器官技术的发展，不断打破传统的认知边界，带来现代医学和再生医学领域的无限可能，尤其在基因编辑、器官发育、疾病研究、精准医疗等方面提升到前所未有的境界。
在神经发育障碍研究方面，类器官协同基因编辑技术，正在探究以往未曾涉猎的前沿领域。
同样是来自斯坦福大学的科研团队，利用升级的大脑类器官组装体模型与先进的CRISPR基因筛选技术，系统揭示了425个神经发育障碍相关基因在抑制性神经元发育中的作用，表明神经发育障碍相关基因映射到人脑发育，并揭示疾病机制的能力。
更有甚者，为打开自闭症研究的“黑匣子”，科学家们开发了一种全新的筛选平台——CHOOSE 系统(CRISPR-human organoids-scRNA-seq），充分结合类器官与CRISPR基因编辑、单细胞基因测序等前沿技术的优势。
△ 左侧：CHOOSE系统的共聚焦成像，红色的为携带基因突变的细胞；右侧：不同颜色的马赛克图案代表单个细胞，每个细胞携带一个自闭症相关基因突变（图片来源：Knoblich实验室）
通过大脑类器官电生理检测技术，记录大脑类器官细胞的电生理活动，将是研究大脑类器官的重要工具，或将成为类器官智能的基石。
2023年2月，约翰斯·霍普金斯大学的Thomas Hartung科研团队首次提出“类器官智能”（Organoid Intelligence，OI）的概念，以期借助对大脑类器官的深入研究，试图冲破硅基计算和目前人工智能的“枷锁”，由此进入更强大、高效、节能的生物计算时代。
△ 用于生物计算的类器官智能架构，或将复刻一个和人脑类似的智能系统。
这些具有前瞻性的大脑类器官科研创新，不仅颠覆了以往基础神经学领域的传统认知，将推进神经科学的进一步发展；而且，对于大脑发育相关、神经退行性疾病等医学难题，提供了全新的研究模型和治疗视角。随着类器官技术的不断发展，未来有望实现个性化医疗，为患者提供更为精准的治疗方案。同时，这一技术也有助于揭示人类大脑的奥秘，推动神经科学的研究迈向新高度。
Write in the last
写在最后
大脑类器官技术是21世纪医学领域的一项突破性进展，通过模拟人类大脑的结构和功能，为研究神经退行性疾病、精神疾病和药物研发提供了新的平台。那些科幻电影中的神奇构想，正在一步一步朝现实的方向迈进。在这条前进之路上，类器官技术已然成为将生物医学领域研究推向新世代的推手。
参考文献：
[1] Yang, X., Forró, C., Li, T.L. et al. Kirigami electronics for long-term electrophysiological recording of human neural organoids and assembloids. Nat Biotechnol (2024).https://doi.org/10.1038/s41587-023-02081-3
发表评论