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前沿 | 实验室里的 「迷你大脑 」 帮助预防小头畸形

通过实验室中培育的大脑类器官,希望之城的 Yanhong Shi 博士正在研究巨细胞病毒(CMV)导致胎儿患上小头畸形症的原因和过程,在对抗这种导致新生婴儿出现畸形小头的病原体的道路上,他们又迈出了新的一步。据这项新研究的资深作者 Yanhong Shi 博士所说,他们采用的是一种叫做「迷你大脑

通过实验室中培育的大脑类器官,希望之城的 Yanhong Shi 博士正在研究巨细胞病毒(CMV)导致胎儿患上小头畸形症的原因和过程,在对抗这种导致新生婴儿出现畸形小头的病原体的道路上,他们又迈出了新的一步。

据这项新研究的资深作者 Yanhong Shi 博士所说,他们采用的是一种叫做「迷你大脑」的工具用来模拟病毒感染和大脑萎缩的过程。Yanhong Shi 博士是希望之城干细胞生物学研究部(Division of Stem Cell Biology Research)主任和 神经科学(Neuroscience)Herbert Horvitz 教授。

就病毒感染所导致的出生缺陷问题,巨细胞病毒是其中最常见的一个原因。大约五分之一患有先天性巨细胞病毒感染的婴儿会有出生缺陷或其他长期健康问题。小头畸形(头小得不正常)便是这些先天性疾病之一,2015 年 Zika 病毒爆发期间,许多准妈妈们都曾担心过这个问题。然而,Shi 博士表示:「巨细胞病毒才是导致小头畸形最常见的罪魁祸首。」

前沿 | 实验室里的 「迷你大脑 」 帮助预防小头畸形

Yanhong Shi
Ph.D.

「我们是第一批使用脑类器官来模拟人体巨细胞病毒引发小头畸形症的研究机构。这是我们在未来研究更复杂的神经系统并发症如阿尔茨海默病和帕金森病等,所需要迈出的第一步。」 Shi 博士补充道:「随着迷你大脑越来越为人们所知,科学家们需要更加发达的大脑类器官来研究人类在后天生活中所形成的复杂的神经系统疾病。」

这项发表在 3 月 25 日 Cell Reports Medicine 上的研究,解决了困扰科学家数十年的一个难题——如何创建一个能够模拟人类大脑复杂性的实验模型,来帮助我们去研究神经系统疾病。直到最近,科学家们还只能在皮氏培养皿的二维模型中研究这个问题,因为他们无法在动物模型中复制神经紊乱的许多关键特征。值得一提的是,由于人类巨细胞病毒(HCMV)特异性脑部病变只是一种针对人类的疾病,因此我们无法使用动物来进行研究。

然而,Shi 博士和她的同事们发现,一种被称为 TB40/E 的 HCMV 菌株似乎复制了 HCMV 在妊娠头三个月和中期胎儿大脑中的作用。感染 TB40/E 的脑类器官明显小于对照组。在减少的 10 个基因中有 3 个与钙信号有关,这表明大脑连接没有建立,大脑的电网络没有正常运作。进一步的测试表明,TB40/E 影响了涉及大脑发育的关键基因,包括负责海马体发育的基因(海马体是大脑学习记忆的中心)。

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 Cell Reports Medicine 上的研究原文

「在了解由 SARS-CoV-2 病毒如何感染导致 COVID-19 新冠肺炎的研究中,也可以使用类器官策略来帮助我们测试潜在的治疗方法,」 这项研究的第一作者 Guoqiang Sun 博士表示。他也是希望之城贝克曼研究所发育和干细胞生物学部(Department of Developmental and Stem Cell Biology at Beckman Research Institute )的项目研究员。 

为了进一步推进这项研究,Shi 博士和她的同事们与希望之城血液学和造血细胞移植系(Department of Hematology & Hematopoietic Cell Transplantation)教授 Don Diamond 博士进行了跨学科合作。Diamond 博士从事巨细胞病毒研究工作已有 30 年,目前正在开发预防先天性巨细胞病毒感染的疫苗。 

希望之城的科学家们对将来可以预防或减少由 HCMV 引起的小头畸形所造成的出生缺陷的方法进行了测试。他们引入了一种目前由 Diamond 实验室正在研制的保护性免疫系统抗体。在大脑类器官模型中进行测试时,发现早期使用这些「中和抗体」可以预防或减少 HCMV 感染出现的一系列严重后果。

「现在我们有了可以复制 HCMV 引发小头畸形是如何发生的模型,我们可以用它来测试抗病毒药物。现在,我们可以开始寻找现实世界的解决方案了。」 Shi 博士兴奋地告诉我们。

这项研究的其他重要贡献者包括来自希望之城的 Shi 实验室(Shi Laboratory)的 Xianwei Chen 博士,以及来自希望之城 Diamond 实验室(Diamond Laboratory)的 Flavia Chiuppesi 博士和 Felix Wussow 博士。此外还有来自索尔克生物研究所(Salk Institute for Biological Studies)和宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院(Perelman School of Medicine at University of Pennsylvania) 的科学家们。

这项研究受到了来自 Louise and Herbert Horvitz 慈善基金会、Sidell-Kagan 科学&医学研究基金会、加州再生医学研究所(TRAN1-08525)、美国国立卫生研究院国家老龄化研究所(R01AG056305 RF1AG061794 和 R56AG061171)、国立卫生研究院(U19AI131130 R35NS097370、R37NS047344)、Helmsley 慈善信托基金 (2017-PG-MED001)、恩典基金会、JPB 基金会、Annette C. Merle-Smith Fowler Merle-Smith 家族慈善领先信托、Robert and Mary Jane Engman 基金会、Lynn and Edward Streim、Ray and Dagmar Dolby 家族基金以及美国公共卫生服务 (R01 AI103960) 的大力支持。

 

图片来源:希望之城

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