Cell：寨卡病毒导致小脑症在体外类器官模型中确证

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寨卡病毒（Zika virus）疫情出现在研究大脑的新干细胞技术正在完善及进行测试之时。在4月22日的《细胞》（Cell）杂志上，来自约翰霍普金斯大学医学院的研究人员将一种脑区域特异性类器官（organoids）公诸于世，它在三维空间中展示了寨卡病毒影响人类大脑的机制。这些类器官数据支持了寨卡病毒偏好感染神经干细胞，及损伤程度差异取决于感染时间的这些观点。

多年来大脑类器官（也叫微型大脑）一直被积极地用于研究之中，然而高昂的成本、大多数实验室无法获得，以及棘手的实验方案阻碍明确的对照实验限制了它们。由宋红军（Hongjun Song）和明国丽（Guo-Li Ming）领导的研究小组，通过3D打印微型的旋转生物反应器，来利用人类干细胞批量生产出脑区域特异性类器官，解决了这些问题。

宋红军和明国丽是一对神仙眷侣，他们早在北京大学读书的时候就已经相恋了，现在两人在事业上又相辅相成，共同在神经科学领域取得了一个又一个的成就，联合署名发表在Cell、PNAS、Nat Neurosci等国际权威学术期刊上的研究论文已达70余篇。

今年3月初，宋红军、明国丽参与的一个研究小组在Cell Stem Cell杂志上发表论文，帮助将寨卡病毒感染与神经干细胞死亡联系到一起，但这些先导实验是在二维组织培养物中完成，无法完全重演正常大脑发育的一些特征。

这些生物反应器使得研究人员能够做他们想做的研究——即在发育神经组织中观察寨卡病毒感染。“当出现寨卡病毒危机之时，我们看到我们拥有了完美的系统来研究这一病毒的影响，”约翰霍普金斯大学医学院细胞工程学研究所干细胞项目负责人宋红军说。

这些微型生物反应器可用生成三种类型的脑区域特异性类器官（前脑、中脑和下丘脑），它们可以存活及生长长达100天。这一时间跨度允许研究人员在与极早期和中期妊娠相当的发育阶段中诱导寨卡病毒感染。三维实验复制出了以往的研究发现：寨卡病毒喜欢感染神经干细胞，支持了在怀孕的前三个月发育大脑风险最大这一临床发现。

约翰霍普金斯大学医学院神经学教授明国丽说：“当受到寨卡病毒感染时，类器官要小得多，它们不会有效地生成神经元。在后期，你仍然可以看到病毒偏好感染神经祖细胞，尽管也感染了一些神经元，细胞死亡和增殖减少与我们在二维培养物中观察到的结果相一致。”

宋红军说：“来自寨卡病毒的数据确实凸显了这一模型系统的能力，我们可以在这一系统中研究疾病的不同阶段，观察感染背后的机制。有了这一生物反应器，现在这一模型有能力作为潜在疗法的临床前试验基地。”

当前，研究人员正向科学界提供他们Cell论文中的技术，并在这些类器官上测试一些FDA批准的化合物，看看是否有任一种化合物可以控制寨卡病毒感染，如何将一种潜在的寨卡病毒疗法传送给胎儿是未来的另一个挑战。

来源：MedSci

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Brain-Region-Specific Organoids Using Mini-bioreactors for Modeling ZIKV Exposure

Xuyu Qian18, Ha Nam Nguyen18, Mingxi M. Song, Christopher Hadiono, Sarah C. Ogden, Christy Hammack, Bing Yao, Gregory R. Hamersky, Fadi Jacob, Chun Zhong, Ki-jun Yoon, William Jeang, Li Lin, Yujing Li, Jai Thakor, Daniel A. Berg, Ce Zhang, Eunchai Kang, Michael Chickering, David Nauen, Cheng-Ying Ho, Zhexing Wen, Kimberly M. Christian, Pei-Yong Shi, Brady J. Maher, Hao Wu, Peng Jin, Hengli Tang, Hongjun Songcorrespondenceemail, Guo-li Ming

Highlights
•A miniaturized spinning bioreactor for cost-effective culturing of organoids
•Generation of brain-region-specific organoids from human iPSCs
•ZIKV causes decrease of neuronal cell-layer volume resembling microcephaly
•Both African and Asian ZIKV infect neural progenitors in organoids

Summary
Cerebral organoids, three-dimensional cultures that model organogenesis, provide a new platform to investigate human brain development. High cost, variability, and tissue heterogeneity limit their broad applications. Here, we developed a miniaturized spinning bioreactor (SpinΩ) to generate forebrain-specific organoids from human iPSCs. These organoids recapitulate key features of human cortical development, including progenitor zone organization, neurogenesis, gene expression, and, notably, a distinct human-specific outer radial glia cell layer. We also developed protocols for midbrain and hypothalamic organoids. Finally, we employed the forebrain organoid platform to model Zika virus (ZIKV) exposure. Quantitative analyses revealed preferential, productive infection of neural progenitors with either African or Asian ZIKV strains. ZIKV infection leads to increased cell death and reduced proliferation, resulting in decreased neuronal cell-layer volume resembling microcephaly. Together, our brain-region-specific organoids and SpinΩ provide an accessible and versatile platform for modeling human brain development and disease and for compound testing, including potential ZIKV antiviral drugs.

http://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(16)30467-6

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有关类器官的研究
类器官是指在实验室中培养，模拟器官自然形成过程的组织团块。近年来，各个领域的研究人员都已经开始利用人类干细胞培育微型器官，来更好地了解发育和疾病，加速新药开发。

2014年，由纪念斯隆凯特林癌症中心领导的一项研究，第一次证实了可以在实验室培育出源自人类前列腺肿瘤的类器官，为研究人员提供了一个令人兴奋的新工具来测试癌症药物和个体化的癌症疗法。研究结果发表在Cell杂志上。

2014年，美国科学家在实验室成功引导人类干细胞经过胚胎阶段发育，培养出微型“胃”。虽然这块活组织比一粒芝麻大不了多少，却有着和人胃一样的腺体结构，甚至还能容纳肠道菌。研究人员指出，该研究打开了一扇窗，让人们看到在人类胚胎变形阶段细胞是怎样发育成器官的。

2015年5月，研究人员利用由癌症患者肿瘤衍生出的三维（3D）类器官，接近复制出了原发肿瘤的一些关键特性。这些“类器官”培养物适用于大规模的药物筛查来检测与药物敏感性相关的一些遗传改变，为采用个体化治疗改善癌症患者的临床结局铺平了道路。他们将这项研究发表在Cell杂志上。

同年，马普研究所的Thomas F. Meyer领导研究团队建立了长期稳定的输卵管3D类器官。他们找到了能满足输卵管细胞特殊需求的培养条件，确保了输卵管成体干细胞的存活，并帮助这些干细胞增殖和分化。这项研究发表在Nature Communications杂志上。

科学家已经将自闭症患者的皮肤细胞诱导转化成多功能干细胞，并在培养皿中培育为微型大脑，揭示了孤独症令人意外的发病机制。研究人员称，这种方法允许他们克服理解疾病（如自闭症，精神分裂症等）的困难，包括影响与疾病复杂性相关的大脑发育的困难以及研究人类组织的发展过程中困难。

来自康奈尔大学的研究人员们，人工合成了一种功能性的免疫器官，它可以分泌出抗体，而且可以在完全离体的情况下，在实验室里被操控。这个第一次人工合成的，独一无二的免疫器官是在Ankur Singh实验室内完成的，此项研究结果在线发表于Biomaterials杂志上。

最近在心脏组织方面也有一些新进展，如皮肤干细胞培育出人类“迷你”心脏，助力筛查药物 和Sci Rep：使用iPS细胞制造出迷你心肌组织，可以用于药物测试