图｜正常大脑与患小头症的大脑对比（来源：Stanford Medicine）几十年来，科学家们一直依赖小动物作为模型，来了解人类大脑的发育情况。但事实证明，我们的大脑并不是啮齿动物大脑的放大版。比如说，小鼠的大脑表面是光滑的，不像人脑那样拥有无数的褶皱。另外，啮齿类动物在出生时就有一个相对完整的大脑，其中大部分神经元都在其中，而人类儿童在出生后才会在大脑皮层中形成大量神经元。“有一些过程只能发生在人类大脑中，在小鼠大脑里无法察觉，这是导致人类大脑如此强大的原因。与此同时，这也带来了一个非常大的医学问题：我们该如何研究那些只发生在人类身上的过程”，克诺布利奇说：“我有果蝇遗传学的背景，通过果蝇的基因筛查，我们基本上发现了所有在发育过程中重要的信号通路。因此，我们的梦想是为人体组织建立类似的筛查方法，这是我们的研究初衷。”克诺布利奇对生辉表示，此次研究有 3 个重要意义：首先，研究人员开发的 “CRISPR-LICHT” 基因筛选技术可以利用基因编辑对 DNA 进行切割，可在 3D 人脑类器官组织中进行并行功能丧失（LOF）研究，且可用于任何类型的类器官以及该类类器官内的任何细胞类型；其次， 研究团队表征了 IER3IP1 调节的未折叠的蛋白应答（UPR）和细胞外基质（ECM）蛋白质分泌对于组织完整性的重要性，上述要素失调会导致小头畸形；最后，研究团队首次展示了内质网及其信号通路在控制大脑大小和导致小头症方面的作用。
图｜实验过程（来源：A human tissue screen identifies a regulator of ER secretion as a brain size determinant）克诺布利奇对生辉介绍道：“在组织中进行系统性的功能缺失筛查，最大的挑战在于不同的干细胞会增殖到不同的水平。在传统的二维细胞培养中，细胞与细胞之间没有联系或联系有限，因此生长比较均匀。如果组织中的细胞生长不均匀，会掩盖由候选基因丢失引起的潜在生长缺陷。这也是本次研究中的最大挑战。”于是，研究团队将 CRISPR-Cas9 技术与双条形码方法（combination of barcoding methods）相结合，来克服这一挑战。“基本上，每个用于生长类器官的细胞都有一个独特的条形码。当大脑类器官被建立后，我们使用 PCR 技术插入另一个条形码来标记每个单独的细胞，并对每个用于筛选一组目标基因的引导 RNA（guide-RNA）进行条形码标记。通过这个方法，我们为每一个被分析的类器官建立了一个完整的谱系树，让我们可以计算每个起始细胞产生的细胞数量。” 克诺布利奇解释道。虽然在小头症的致病基因筛查上，研究团队再次向前迈了一步，但克诺布利奇表示，由于小头症是一种发生在胎儿发育早期的罕见疾病，通常在孕晚期及出生后被确诊，研究结果并不能直接给出小头症的治疗方案，仅有助于阐明小头症的致病原因。下一步，研究团队希望利用 CRISPR-LICHT 来筛选更多可能与其他大脑发育障碍相关的基因。克诺布利奇表示，除小头症，研究团队已经开始针对自闭症进行研究 。大脑类器官是研究人类大脑发育的最好方法由于人类的大脑发育过程无法在实验室中研究，大脑类器官成为研究人类大脑发育的模型系统。对于 大脑类器官奠基人克诺布利奇来说，在神经发育领域，大脑类器官已经能展现出很强的研究替代性。不过，克诺布利奇强调，类器官只能是研究补充而不是取代动物模型。类器官能够做的是使研究人员更有针对性地进行动物实验，或者更快地从动物实验中获得结果，以更有针对性的方式迅速传递给患者。
图｜大脑类器官的着色横切面（来源：MRC Laboratory of Molecular Biology）虽然现在很多神经科学家认为，人脑类器官可能是理解自闭症和精神分裂症等人类独特病症的关键，但对于人脑类器官仍然存在一些盲点：首先，神经科学家尚未达成共识去定义和衡量意识；其次，几乎所有的科学家和伦理学家都同意，到目前为止，还没有人在实验室中创造出意识。基于此，克诺布利奇表示：“大脑类器官无法重述行为，也无法指出哪些细胞类型参与了特定的行为模式。但我相信，大脑类器官有可能彻底改变药物的研发过程，特别是针对神经系统疾病。”目前，这项技术已经催生了一批初创公司的诞生。海外市场上，Cellular Dynamics、StemCells 等公司均提供上述大脑类器官药物筛选模型服务；国内市场中，创芯国际、霍德生物处于行业领先地位。未来，通过利用直接从病人身上提取的细胞创造类器官，研究人员有可能发现每种疾病背后特殊的大脑结构的变化，有助于开发出个性化治疗方法。“我认为在未来五年内，类器官技术将达到可以研究某些重大疾病的水平。如果我们在患者体内发现某种基因突变，并认为这与某种疾病相关，就可以对此进行筛选和测试。” 克诺布利奇表示：“大脑类器官是研究人类大脑发育的最好方法，将使我们获得更深的遗传学理解，我们每前进一步，就有可能在更多的疾病领域有所突破，将致病相关性转化成因果关系。”“最重要的是，了解大脑内部究竟是什么变化使我们与其他动物不同，可能会帮助我们找到人类之所以成为人类的真相。”参考：https://science.sciencemag.org/content/early/2020/10/28/science.abb5390https://www.statnews.com/2020/10/30/new-screening-technique-turns-up-genes-tied-to-microcephaly-scientists-say-and-could-be-used-for-other-developmental-disorders/https://www.genengnews.com/news/crispr-screen-for-human-organoids-doubles-genes-linked-to-microcephaly/https://www.nature.com/news/stem-cells-take-root-in-drug-development-1.10713https://www.degruyter.com/view/title/523194?tab_body=tochttps://www.nature.com/articles/d41586-020-02986-yhttps://www.stemcell.com/jurgen-knoblich-talks-organoids.html-End-
