- [2021/12/13] 3D:運用迷你腦來了解HD腦部發展
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3D:運用迷你腦來了解HD腦部發展(The third dimension: using minibrains to understand brain development changes in HD)
研究者展示運用被稱為類器官(organoids)的3D腦部模組在HD基因裡高度擴展CAGs可以造成的早期發展改變。他們找到了甚麼?
由Sarah Hernandez醫師於2020年1月3日撰寫,由Jeff Carroll醫師編輯
一篇新出版物使用來自人體細胞製作的迷你3D腦膜組來展示造成HD的突變導致在腦部發展的早期改變。然而,明顯的多數HD病患可以且能發展完整成熟並維持幾十年正常功能的腦細胞。所以一起將這些發現置入脈絡觀看並深入研究這些用人細胞發現的發展改變對HD病患的可能意義。
不用蒐集腦樣品來獲得人腦細胞
雖然HD對人來說是特別的,多數生物體一種基因版本是突變造成HD-亨汀頓或Htt作為縮寫。各種生物可以用來研究hd,而每種模組可以告知疾病如何運作的不同觀點。舉例,如果一個研究者想知道一個研究性的治療是否對HD有益,他們可以使用果蠅或甚至是蟲來獲得這些解答。
每個人都有他們DNA獨特的面目。藉由細胞株各方面都相同除了在HTT基因裡的CAG擴張,研究者可以確定任何觀察到的改變是因為HD。
雖然蒼蠅及蟲與人類相當不同,他們的生命週期非常短(果蠅約14天),所以研究者可以較快獲得他們的答案。若他們想要知道在更複雜的腦裡會發生什麼事,研究者通常選擇老鼠。但要了解它們對人的效果,研究者們必須去實驗他們的想法在人-或至少在人體細胞。
2006年,兩個獨立的研究者顯示可以逆轉皮膚細胞的生物時間表(biological timeline),促使它轉換成身體內任何其他細胞。 最近,血液細胞已經被使用。這些準備轉換的細胞被稱作” 誘導性多能幹細胞(induced pluripotent stem cells)或iPSCs。
若研究者對研究腦部疾病像是HD有興趣,他們可以將這些iPSCs轉換成有興趣的細胞類型,像是神經元。更佳的是,若是皮膚或是血液細胞是來自HD患者,研究者便有了他們研究所需來研究那位病患的神經元而不用拿腦部樣品。不僅是超酷的研究者,對願意掛上他們腦的HD病患來說也是好消息!
通常來說,細胞會在培養皿上平坦的表面成長,但最近研究者們設計一個方法來哄iPSCs 在一個3D球體細胞上生長-組成一點早期發展階段的腦。這些3D結構被稱為類腦器官(brain organoids)且類似小型腦膜型。
在3D上成長的細胞可以讓研究者研究類器官成長時它們組織的方向,告知在腦內發展的非常早期事件。但當這些小型類腦結構似乎跟人類大腦早期發展模式相似,它並非運作的複製品且它們沒有具備認知功能的能力。
你是漂亮且特別的雪花
“近期研究,這些類腦組織被用來調查造成HD的突變對它們發展的衝擊。他們藉由使用4種不同細胞株,各部分都相同,除了一項:HTT基因,來達成。”
近期研究,這些類腦組織被用來調查造成HD的突變對它們發展的衝擊。他們藉由使用4種不同細胞株,各部分都相同,除了一項:HTT基因,來達成。但等等,如何讓4個不同的細胞株相同又不同?
你可以想像人們是雪花-我們在自己的方式中都是獨一無二的,不只是顯而易見的身體差異如髮色或眼睛形狀不同,還有在基因層面的差別。每個人的DNA代碼都有略為獨特的結構使他們有所不同。所以當2個人可能有手的必須基因碼,1個可能擁有非常長的手指,另一個可能有短的手指。
若研究者從兩個人拿細胞,一個是HD而另一個不是,他們的細胞不僅含有該對象HTT基因內不同CAG長度,還含有所有使他們成為獨特的不同基因!這可能讓結果混淆因為研究者不會知道任何他們測量的改變是因為HD基因的不同或是因為該人DNA另一個獨特改變。
所以回到這些相同又不同的細胞-為了防止實驗中的結果是來自HD基因CAG長度不同或一些來自一個人有的其他獨特DNA碼所造成的混淆,研究者們使用來自單一個細胞系的一系列細胞株,僅在HTT基因遺傳改變,使其含有的CAG複製有不同大小。
在這情況下,當在這些細胞內的其他基因保持相同時,CAG重複的管道從30(代表一個人無HD風險)增加到45、65或81(各自代表成年、青年或少年發作HD)。所以現在研究者們可以確保任何他們從這些細胞株觀察到的不同是明確是由於它們在HD基因中誘導的變化。蠻聰明的!
早期少年HD可能不是純粹退行性疾病
最近的進步讓科學家可以讓神經元在3D上生長,建築迷你腦。在該研究中,從粉色這裡所顯示,相較於一位無HD的類器官(左),少年發作HD迷你腦(右)發現有更少又更小的內部結構。當使用4個細胞株來製作類器官,研究者們發現雖然來自全部4個細胞株類器官都是一樣大小,HD類器官發展會發育形成所謂的神經元重要腦細胞的內部結構較小,顯示大腦發展減弱。然而,這僅在對應青少年HD(65 CAG)與少年發作HD(81 CAG)的類器官有觀察到,而對應成年發作(45 CAG)的類器官與代表無HD某人的類器官相似。
所以這代表了什麼?作者解釋他們的發現代表造成HD的突變,特別是在少年發作,阻礙腦部發展。然而,另一個想法是造成HD的突變可能只是延遲發展。
為了測試這個,作者們檢測較老的類器官-他們測量30 CAG與81 CAG的類器官的差異並發現他們仍是只有較小的內部結構,即使在稍後的時間點。所以它顯示至少少年發作的HD案例的腦部發展在這些類器官中不是延遲而是停滯。雖然青少年與成年發作的類器官並未納入此特殊的研究。
另一個從這實驗的重要發現顯示少年發作的類器官發展出神經元的速度快於沒有HD突變的類器官。但若是你一直維持更新你的HD類器官文獻,你可能發現這有點令人困惑因為一年前左右發布的文獻顯示完全相反-HD類器官派生自iPSCs發展出神經元較慢於沒有HD的類器官。
所以這代表一篇研究正確而另一篇錯誤?沒有。雖然兩篇研究結果對於HD影響類器官神經元發展速度相反,各個研究執行有略為不同,使用不同的細胞株與在不同時間點檢測效果。
兩個研究同意的是造成HD的突變會導致神經發展初期改變。但是,只因為結果顯示發展早期改變不代表這些改變不能被補償。事實上,更多進前研究的作者們發現一種藥物在少年發作HD類器官中能部分恢復較低的可被觀察的量!
“兩個研究同意的是造成HD的突變會導致神經發展初期改變。但是,只因為結果顯示發展早期改變不代表這些改變不能被補償。”
但那些代表青少年以及成年發作HD的類器官呢?如果你注重細節的話,你可能已經發現這篇研究多數結果專注在代表少年發作HD的類器官,佔約5-10%的HD人口數。這代表這些研究正評估已經是罕見疾病下的罕見型態。然而,這篇研究的作者們正勤快地解釋他們內文中數據顯示的結果,說”總體而言,這些結果顯示至少在早期發作少年型態的HD可能不是純粹神經退化性疾病且異常神經發育可能是其病理生理學的組成部分。
最新消息
一件關於這篇研究的是它現在發佈在一個名為BioRxiv (發音為“bio archive”)資料庫。BioRxiv是一個驚人的資源因為它發佈數據先於影印且所有人都可以得到。當這個更快將資料給群眾,它也代表它尚未進行科學性過程”同行評審”,由同領域但未接到此計畫的科學家所進行的非偏見評估。
同行評審是對於嚴謹的科學研究是避不可少的且提供工作的作者們一個來自同領域專家們周到的外來觀點。因為這個研究尚未進行同行評審,評審們可能要求在公告前有額外的工作來澄清一些結果或是更要求進一步研究代表青少年與成年HD發作的類器官。所以你可以當這個研究此刻像是未完成的書-我們可以轉回來當它最終公告來獲得完整的故事。
這些發展變化是否會正常化?
雖然這些類器官因他們可以告訴我們運用人體細胞發展關於HD-相關細胞層級變化的早期發展而很酷,我們真的需要來自患者的數據來解釋任何變化可能或可能沒有完全開發的人類的效果。
作為少年HD發作代表的類器官相較於代表無HD、成人發作、青少年發作的類器官而言,發展神經元較快且發育不良,顯示少年發作HD的案例具體改變大腦發育。
另一個研究恰好是運用MRI檢驗不論有無成年發作HD型的孩童與青少年(年齡6-18)大腦結構大小不同處。這些是沒有HD症狀的孩子,他們的父母同意他們參加此研究來更佳了解他們非常早期因HD突變的改變。
此研究報告在攜帶HD突變的兒童早期,從6到11歲,有較大的紋狀體(一個主要受到HD突變影響大腦區域),然而未攜帶HD基因的兒童則晚期有較大的紋狀體,從11到18歲。所以看起來陽性基因兒童至少在紋狀體部分有較快的神經元發展,但陰性基因的兒童最終還是追上且最終在此研究中檢測的年齡有較大的紋狀體。然而,此差異顯示較為客氣,僅1毫升搖擺,約1/4熊軟糖的看法。
像是運用非侵入性方法可以檢測非常小改變的研究正是評估HD對大腦發展貢獻所需要的。他們將研究中從人類患者的脈絡中幫助解釋代表非常早期的發展,像是在盤中的類器官研究。
最終。研究展示大腦因HD發展變化結果是新的,而在生物學上有趣的同時,研究者們尚不知道疾病脈絡全部的意義。然而,這很重要去記住研究者們也在進行發現可以彌補任何他們報告大腦發展改變的機轉。
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