3D培(pei)養應用之(zhi)Biosilk-Biolaminin助力腦類器官(guan)研究

一、引言

在(zai)上(shang)一篇文章中，我們提到神經退(tui)行性疾(ji)病(bing)(bing)已(yi)對全球公共健康造成(cheng)了巨大(da)負擔，這可歸結于(yu)神經系統的(de)(de)發(fa)病(bing)(bing)機(ji)制復雜、治愈手段有(you)限等現(xian)狀，所(suo)以，對神經細(xi)胞功能調控(kong)與替(ti)代治療(liao)(liao)的(de)(de)研究迫在(zai)眉睫。近年(nian)來(lai)，腦類(lei)器官逐步發(fa)展(zhan)為一種(zhong)重(zhong)要的(de)(de)模型工具(ju)，在(zai)神經發(fa)育與疾(ji)病(bing)(bing)相關科(ke)學(xue)研究、新藥開發(fa)以及(ji)精(jing)準治療(liao)(liao)等場景均有(you)所(suo)應(ying)用(yong)。本文將詳細(xi)介紹一種(zhong)采(cai)用(yong)Biosilk-Biolaminin支架(jia)培育的(de)(de)腦類(lei)器官，其展(zhan)現(xian)出諸多值得(de)關注的(de)(de)特性。

二、亮點

?  避(bi)免(mian)壞(huai)死中心出(chu)現的類器官培養(yang)技(ji)

?  生成可(ke)重復的3D培養體(ti)系，減少類器官之(zhi)間(jian)和其內部的變(bian)異

?  支持在Biosilk中有(you)效地(di)分化(hua)多能(neng)干細胞(bao)并構(gou)建模型(xing)組織

?  采(cai)用(yong)組織特異(yi)性層粘連蛋白亞型可(ke)有效(xiao)調(diao)控細胞(bao)外(wai)基(ji)質

三、數據展示

?? 在構建3D類器官結構方面，Biosilk中培養的類器官內外部差異較小、整體更均質，且在長期培養中避免了中心壞死的出現

傳(chuan)統的(de)(de)類(lei)器(qi)(qi)官（VM org）在培(pei)(pei)養過程(cheng)中常(chang)面臨內(nei)(nei)外(wai)部差異明顯的(de)(de)問題(ti)，12天時即(ji)可觀察到清晰的(de)(de)內(nei)(nei)外(wai)區分，而添加Biosilk的(de)(de)腹側(ce)中腦類(lei)器(qi)(qi)官（Silk-VM org），同一時間的(de)(de)內(nei)(nei)外(wai)部分差異較(jiao)小，整體結(jie)構(gou)更趨(qu)于均質（數(shu)(shu)據圖(tu)1A）。此外(wai)，與傳(chuan)統類(lei)器(qi)(qi)官容易出(chu)現(xian)壞死中心(xin)不(bu)同，Biosilk類(lei)器(qi)(qi)官即(ji)使經過6個月的(de)(de)培(pei)(pei)養，仍能(neng)保持無壞死中心(xin)的(de)(de)狀態（數(shu)(shu)據圖(tu)1B），這得益于Biosilk的(de)(de)多孔網絡(luo)結(jie)構(gou)——它能(neng)助力營養和氧氣的(de)(de)流動，為(wei)細胞提(ti)(ti)供穩定的(de)(de)微環境，為(wei)長期觀察神經發育(yu)過程(cheng)或模擬慢性神經疾(ji)病提(ti)(ti)供了可能(neng)。

數據圖(tu)1. 在Biosilk中及(ji)傳統培養VM類器(qi)官的(de)形態對(dui)比(bi)明場代(dai)表性圖(tu)像（比(bi)例尺200μm）6個月時TUNEL染色（比(bi)例尺100μm）及(ji)Biosilk與傳統水凝膠的(de)結構對(dui)比(bi)示意(yi)圖(tu)

?? 在細胞分化與功能方面，Biosilk-Biolaminin支架表現良好，可支持多能干細胞定向分化

Biosilk-Biolaminin通過組織(zhi)特異(yi)性層粘連蛋白亞型(xing)（如Biolaminin 111）調節細(xi)胞外基質，促(cu)進多巴胺(an)能(neng)神經元的成熟（數據圖2）。

數據圖2. 在Biosilk中培養VM類器官，不(bu)同時(shi)期多(duo)巴胺(an)能神經元功能性標志物免(mian)疫組化染色代表性圖像

并且，培養(yang)90天的(de)(de)(de)功能記錄也(ye)證實(shi)，Biosilk類器官中的(de)(de)(de)功能細胞分布較廣，而(er)傳統(tong)類器官的(de)(de)(de)功能細胞的(de)(de)(de)分布則相對有限（數據圖3）。

數據圖(tu)3. VM類器官培(pei)養第90天使用全細胞膜片(pian)鉗對Biosilk（右）與傳統(tong)（左(zuo)）類器官的功(gong)能檢測(ce)對比

另外，培(pei)養4個月時，Biosilk-Biolaminin較(jiao)傳統VM類器官中的(de)多巴胺能(neng)神經元細胞簇的(de)比(bi)例(li)更(geng)高。

數據圖4. Biosilk-Biolaminin及傳統(tong)培養(yang)4個月時(shi)VM類器官中多(duo)巴胺(an)能神(shen)經(jing)元的細(xi)胞簇的占比量化比較

?? 可重復性是科研模型的重要要求之一，Biosilk-Biolaminin支架，無論是類器官之間還是同一類器官內部的變異都明顯減少

VM類(lei)器(qi)官培養1個月時，單(dan)細胞測序數據(ju)顯(xian)示，Biosilk-Biolaminin VM類(lei)器(qi)官較(jiao)傳(chuan)統類(lei)器(qi)官中各(ge)細胞類(lei)型集(ji)群的比例一致(zhi)性(xing)更強，變異性(xing)更低。

數據圖5. Biosilk-Biolaminin及(ji)傳統培養的VM-類(lei)(lei)(lei)器官(guan)的單細(xi)胞RNA測序數據的UMAP圖譜及(ji)培養1個(ge)月后各類(lei)(lei)(lei)器官(guan)中各類(lei)(lei)(lei)細(xi)胞簇(cu)所(suo)占比(bi)例的量化比(bi)較

此(ci)外(wai)，培養VM類器(qi)(qi)官(guan)(guan)2個月時的qRT-PCR分析也表明，Biosilk-Biolaminin 111的類器(qi)(qi)官(guan)(guan)較傳統類器(qi)(qi)官(guan)(guan)，對(dui)調(diao)控腹側中腦類器(qi)(qi)官(guan)(guan)中關(guan)鍵基因（尤(you)其是(shi)多巴(ba)胺能神經元相關(guan) TH、DDC 等(deng)早期(qi)和晚期(qi)標志物）的表達(da)有(you)積極作用(yong) ，可使類器(qi)(qi)官(guan)(guan)細(xi)胞(bao)功能更(geng)(geng)接近天然的生(sheng)理狀態 ，為神經發育、帕金(jin)森病等(deng)研究提供更(geng)(geng)優模(mo)型 ，使得研究結果更(geng)(geng)加可靠。

數據(ju)6. 在Biosilk-Biolaminin上以(yi)及傳(chuan)統培養的VM類器官(guan)中多巴胺能(neng)神經元(yuan)標志物的轉(zhuan)錄組mRNA量(liang)化

四、總結

上(shang)述這(zhe)些(xie)特性讓(rang)Biosilk-Biolaminin支(zhi)架構建(jian)的腦類(lei)器官(guan)，在(zai)神經發(fa)育機制研究、神經疾病模型建(jian)立等領域，展現出巨大的應(ying)用潛力，為相關研究提(ti)供了更為便利的工具。讓(rang)我們一(yi)起期待(dai)Biosilk-Biolaminin在(zai)生物(wu)醫學3D類(lei)器官(guan)模型構建(jian)、新藥研發(fa)及精準醫療等場景中發(fa)揮(hui)出更多的價值！

參考資料

Brain organoid modeling to study- neural development and disease- Functional neural 3D cell constructs using Biosilk-Biolaminin scaffold（From BioLamina）

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讓(rang)我們共同關注細胞治療領(ling)域的發(fa)展(zhan)，期(qi)待更多突破！