麻省理工学院(MIT)研究人员开发的一种新型3D人脑组织平台首次将所有主要脑细胞类型——包括神经元、胶质细胞和血管系统——整合到单一培养物中。这些模型（被称为"多细胞集成脑"(miBrains)）由个体捐赠者的诱导多能干细胞培养而成，能够复制人脑组织的关键特征和功能，可通过基因编辑轻松定制，并能大量生产以支持大规模研究。
尽管每个单元比一角硬币还小，但对于需要更复杂活体实验室模型来更好地理解大脑生物学和治疗疾病的科研人员和药物开发者来说，miBrains可能具有巨大价值。
"miBrain是唯一包含人类大脑中存在的全部六种主要细胞类型的体外系统，"李慧仪(Li-Huei Tsai)教授表示。李慧仪是皮考尔学习与记忆教授、皮考尔研究所所长，也是在《美国国家科学院院刊》上发表描述miBrains研究的主要作者。
"在首次应用中，miBrains使我们发现了阿尔茨海默病最常见的遗传标志物之一是如何改变细胞相互作用从而产生病理变化的，"她补充道。
该研究的共同资深作者是罗伯特·兰格(Robert Langer)教授（David H. Koch (1962)研究所教授）和乔尔·布兰查德(Joel Blanchard)（纽约西奈山伊坎医学院副教授，曾任Tsai实验室博士后）。该研究由爱丽丝·斯坦顿(Alice Stanton)（前Langer和Tsai实验室博士后，现任哈佛医学院和麻省总医院助理教授）和阿黛尔·布布尼斯(Adele Bubnys)（前Tsai实验室博士后，现任Arbor Biotechnologies高级科学家）领导。
两种模型的优势
模型越能准确再现大脑的复杂性，就越适合推断人类生物学的工作原理以及潜在疗法如何影响患者。在大脑中，神经元不仅相互作用，还与各种辅助细胞相互作用，所有这些细胞都排列在一个包含血管和其他成分的三维组织环境中。所有这些相互作用对健康都是必要的，而其中任何一种都可能导致疾病。
单一或少数几种细胞类型的简单培养可以相对容易且快速地大量创建，但它们无法向研究人员展示对理解健康或疾病至关重要的无数相互作用。动物模型体现了大脑的复杂性，但维护起来可能困难且昂贵，结果产出缓慢，并且与人类差异足够大，有时会产生不同的结果。
miBrains结合了每种模型的优势，在保留实验室培养细胞系的大部分可访问性和速度的同时，使研究人员能够获得更接近人类脑组织复杂生物学的结果。此外，它们源自个体患者，使其与个体的基因组个性化匹配。在该模型中，六种细胞类型自组装成功能单元，包括血管、免疫防御和神经信号传导等特征。研究人员确保miBrains还具有血脑屏障，能够控制哪些物质可以进入大脑，包括大多数传统药物。
miBrain作为一项科学成就非常令人兴奋。最近在药物开发中减少使用动物模型的趋势可能会使这类系统成为发现和开发新的人类药物靶点的日益重要的工具。
罗伯特·兰格(Robert Langer)，David H. Koch (1962)研究所教授
用于功能性脑模型的两种理想组合
设计整合如此多种细胞类型的模型带来了需要多年才能克服的挑战。其中最关键的挑战之一是识别能够为细胞提供物理结构并支持其存活的基质。研究团队从自然组织中包围细胞的环境——细胞外基质(ECM)中获得了灵感。miBrain基于水凝胶的"神经基质"通过定制的多糖、蛋白聚糖和基底膜混合物模拟大脑的ECM，为大脑的所有主要细胞类型提供支架，同时促进功能性神经元的发育。
第二种组合也被证明至关重要：产生功能性神经血管单元的细胞比例。过去几十年来，细胞类型的实际比例一直是一个争论的话题，即使更先进的方法也只能提供粗略的指导，例如所有细胞中少突胶质细胞占45-75%或星形胶质细胞占19-40%。
研究人员从患者捐赠的诱导多能干细胞开发了六种细胞类型，验证了每种培养的细胞类型都紧密复制了自然发生的脑细胞。然后，研究团队进行了实验迭代，直到找到产生功能性、结构正确的神经血管单元的细胞类型平衡。这一费力的过程最终成为miBrains的一个优势特征：由于细胞类型是单独培养的，每种都可以进行基因编辑，从而使最终模型能够定制以复制特定的健康和疾病状态。
"其高度模块化的设计使miBrain与众不同，为细胞输入、遗传背景和传感器提供了精确控制——这是疾病建模和药物测试等应用的有用功能，"斯坦顿表示。
使用miBrain发现阿尔茨海默病相关机制
为了测试miBrain的能力，研究人员开始研究APOE4基因变异体，这是阿尔茨海默病发展的最强遗传预测因子。尽管一种脑细胞类型——星形胶质细胞——已知是APOE蛋白的主要生产者，但携带APOE4变异体的星形胶质细胞在疾病病理学中的作用却知之甚少。
miBrains非常适合这项任务，原因有二。首先，它们将星形胶质细胞与大脑的其他细胞类型整合在一起，因此可以模拟它们与其他细胞的自然相互作用。其次，由于该平台允许团队单独整合细胞类型，因此可以在所有其他细胞类型都携带APOE3（一种不会增加阿尔茨海默病风险的基因变异体）的培养物中研究APOE4星形胶质细胞。这使研究人员能够分离出APOE4星形胶质细胞对病理学的贡献。
在一项实验中，研究人员比较了单独培养的APOE4星形胶质细胞与APOE4 miBrains中的星形胶质细胞。他们发现，只有在miBrains中，星形胶质细胞才表现出与阿尔茨海默病相关的多种免疫反应指标，这表明多细胞环境促成了这种状态。
研究人员还追踪了与阿尔茨海默病相关的蛋白质——淀粉样蛋白和磷酸化tau蛋白，发现所有APOE4 miBrains都积累了这些蛋白质，而所有APOE3 miBrains则没有，正如预期的那样。然而，在含有APOE4星形胶质细胞的APOE3 miBrains中，他们发现这些miBrains仍然表现出淀粉样蛋白和tau蛋白的积累。
随后，研究团队深入研究了APOE4星形胶质细胞与其他细胞类型的相互作用如何导致它们对疾病病理学的贡献。先前的研究表明与大脑的小胶质免疫细胞存在分子交叉对话。值得注意的是，当研究人员在没有小胶质细胞的情况下培养APOE4 miBrains时，它们的磷酸化tau蛋白产生显著减少。当研究人员用星形胶质细胞和小胶质细胞联合培养的培养基处理APOE4 miBrains时，磷酸化tau蛋白增加，而当他们用单独的星形胶质细胞或小胶质细胞培养的培养基处理时，tau蛋白的产生并未增加。因此，这些结果提供了新的证据，证明小胶质细胞和星形胶质细胞之间的分子交叉对话确实是磷酸化tau蛋白病理所必需的。
未来，研究团队计划为miBrains添加新功能，以更准确地模拟工作大脑的特征，例如利用微流体技术使血液流经血管，或使用单细胞RNA测序方法来改进神经元的分析。
研究人员预计，miBrains可能推动阿尔茨海默病及相关疾病的研究发现和治疗方法的进步。
"鉴于其复杂性和模块化，未来方向无限。其中包括，我们希望利用它来获得对疾病靶点的新见解、治疗效果的高级评估以及药物递送载体的优化，"斯坦顿表示。
"我最兴奋的是为不同个体创建个性化miBrains的可能性。这有望为开发个性化医学铺平道路，"Tsai补充道。
该研究的资金来自BT慈善基金会、Freedom Together基金会、Robert A.和Renee E. Belfer家族、Lester A. Gimpelson、Eduardo Eurnekian、Kathleen和Miguel Octavio、David B. Emmes、Halis家族、皮考尔学习与记忆研究所和一位匿名捐赠者。
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