低强度超声促进大脑类器官整合并改善小头畸形缺陷

研究背景

大脑类器官（brain organoids）经过多能干细胞（pluripotent stem cells, PSCs）分化生成，具有令人惊叹的细胞多样性、并能表现类似人脑的功能网络。这些类器官方法极具潜力，可用于模拟神经系统疾病与大脑修复。然而，物理刺激对其发育和整合的影响仍不明确。本研究旨在探讨低强度超声（low-intensity ultrasound, LIUS）对大脑类器官的影响。

研究来源

研究由来自天津大学的多个学者共同完成，发表时间为2024年，发表于《Brain》期刊（Oxford University Press出版）。

研究流程

本研究包括以下流程： 1. 大脑类器官生成：根据既定协议生成皮质类器官，在第18天开始暴露于UTIONS。 2. 在不同强度范围内刺激类器官，发现0.2 W的超声强度产生显著效果，并随着时间推移检查类器官发育的各方面。 3. 移植实验：将经过超声预处理及未处理的类器官植入成年鼠的大脑皮层内，观察其在被伤害部位的长远效应，包括电生理、组织学测试及神经连接等。 4. 亚显微解剖学及基因分析：利用多种方法包括免疫组化、Bulk RNA-seq、单细胞RNA测序（scRNA-seq）等对类器官的发育变化进行了全面评估。
5. 调控机制探索：通过基因敲减等手段探索了YAP基因在类器官中的功能。

主要研究结果

1. LIUS促进了类器官生长：实验数据表明，LIUS处理组的类器官生长速度更快，组织更紧凑，细胞增殖和神经元分化更为活跃。
2. 改善类器官植入后的整合：类器官内细胞面积增大，神经元成熟度提升，并在人鼠大脑伤区植入后表现出更好的整合和长远投射。
3. YAP基因在LIUS调节机制中起重要作用：敲减YAP基因后，类器官的各项发育显著减弱，并且原发性小头畸形模型中的粒子发生受其调控影响。
4. 通过LIUS，ASP基因缺陷类器官的发育将得以修复：LIUS干预显著恢复了ASP突变模型类器官的生长和性质。

研究结论

本研究表明，LIUS显著提高了类器官的神经元分化和功能成熟，也加速了移植后类器官与宿主之间的整合，从而为发育病症的治疗提供了潜在的非入侵处理方案。

研究亮点

这项研究通过应用LIUS展示了对类器官发育的增强和微结构整合的调控功能。此外，LIUS还显著修复了ASP基因缺失相关的基因和小头畸形发育缺陷，这为未来的类器官修复研究提供了可能性。