人脑神经前体细胞神经发育表型的快速检测 (npc)

使用简单的有机体和老鼠模型阐明了基本的大脑发展和疾病发病机制。尽管有这些进展, 许多精神疾病的病因仍然难以捉摸, 因为并非所有的研究结果都与人类疾病的复杂方面直接相关。此外, 人脑的更大复杂性往往使人的发育和动物疾病的建模变得困难。随着人类诱导多潜能干细胞 (hiPSCs) 技术的发展和发展, 体细胞可以重新编程成干细胞, 然后分化为神经细胞来研究人类疾病。hiPSCs 和 “涨价可能” 技术的进步 (基因组学、转录组学、蛋白质组学、新陈代谢) 有望彻底改变人类大脑发育的认识。这些技术现在可以在个案的基础上对神经精神疾病的特征进行 “精确医学” 处理。

目前在 hiPSC 疾病建模领域的主要内容是将细胞分化成单层的特定神经元亚型, 或者使用一个叫做 organoid 的3D 培养系统来重述大脑发育的各个方面^{1,2, 3}。这些系统在研究和揭露人类发展和疾病的独特方面非常有价值^4,5,6,7。然而, 在他们准备学习之前, 神经元文化和 organoids 通常需要从几周到几个月的文化。这些协议的耗时性和维护这些文化系统所需的资源量常常限制可以进行的实验数量和可测试的变量 (如生长因子或药物) 的数量。此外, 许多利用有丝分裂后神经元和 organoids 的研究都集中在后来的发展过程, 如枝晶突起或突触形成。虽然这些过程牵涉到发育紊乱的病理学, 如自闭症和精神分裂症, 早期的发展事件发生之前, 明确的神经元分化也重要的疾病发病机制^{8 ,9,10,11,12,13}。事实上, 最近的基因组研究表明, 由增殖、过程和迁移组成的中胎儿期在自闭症发病机制中尤为重要^11,14。因此, 研究神经干细胞和祖细胞群, 以更好地了解这些早期的过程是很重要的。Organoid 系统由于其3D 性质和组织结构而被认为可以更好地概括人脑发育, 但它包含了一个前体池, 用于研究这些早期事件。然而, organoids 的祖群往往稀疏, 更像是径向胶质细胞, 而不是神经干细胞或祖细胞^5,15。因此, 有一个高吞吐量的方法来研究神经发育在积极增殖细胞的早期阶段是有益的。

在实验室中, 我们创建了一个使用 hiPSC 神经前体细胞 (npc) 的协议, 一个神经干细胞和祖细胞的混合种群, 高度增生, 以研究神经发育过程, 如增殖、细胞迁移和初始过程 (突起) 扩展。这些化验是从我们实验室使用的技术中开发的, 数十年来成功地研究了老鼠和老鼠皮层培养的神经发育 16, 17, 18, 19, 20, ^21,22,23。重要的是, 它还表明, 在鼠和小鼠培养系统中定义的表型和调控信号是高度预测的机制, 是活跃的在体内, 表明这些技术的价值^{16, 17,18,19,24}。在 hiPSCs 与 npc 的初步分化之后, 这些方法使我们能够在几天内研究重要的发育过程。这些方法有许多优点: (1) 它们需要很少的复杂设备, 易于实现, (2) 可以在短时间内进行大量的实验复制, 从而快速确认结果的重现性, (3)培养变量, 如涂层基质, 生长因子的影响, 药物的活性, 可以快速和经济高效地测试。此外, 我们利用细胞外生长因子作为不同发育过程的关键调控者的良好作用。npc 被暴露在选择发展信号, 直接刺激诸如扩散, 突起和细胞迁移等事件, 并发现它们增强了识别在控制条件下不明显的缺陷的能力^{19,25,26,27,28}. 同样, 评估药物的容易性为采用精确的医学技术来测试各种治疗干预措施的功效提供了有力的途径。因此, 本议定书促进了高通量、重现性和直截了当的方法, 研究早期大脑发育、疾病发病机制以及生长因子和药物对神经发育表型的潜在有益影响。