血管化人脑类器官的构建及其功能研究
发布时间：2022-01-09 13:57
人脑在结构和功能上是生物体中最复杂的器官之一,人脑的复杂性给研究这个独特器官的发育和功能异常带来了巨大的挑战。传统上研究人员通常使用动物模型来研究成人脑的发育及其疾病。但动物脑模型和人脑之间存在较大差异,无法对人类大脑特异性特征进行研究,对于人脑特有的病理功能研究更是不可能的。在体外对多能干细胞进行培养,可以建立三维的神经组织发育模型,细胞能够自组织成复杂的脑结构,被称为人脑类器官。目前,体外培养的人脑类器官主要存在几个不能忽视的问题:长时间培养中心细胞坏死和神经细胞发育不够成熟。本论文开发了构建血管化人脑类器官的培养平台,以此实现对人脑类器官的长期稳定培养,获得更加成熟的人脑类器官培养模型。论文以氧化海藻酸钠（OSA）和明胶（GTN）混合与氯化钙进行交联构建生物活性复合水凝胶体系为人脑类器官中神经细胞的增殖和迁移提供适当的细胞外环境。水凝胶材料所选体系为1.5%OSA,4.5%GTN和100 mmol/L CaCl2,既可以保障人脑类器官的发育成熟,又可提供足够的力学性能用于移植。免疫缺陷鼠腹腔腹膜富含大量的毛细血管,是腹膜腔内高度血管化的结构,可以支持人脑类器...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
人脑类器官培养过程[2]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-4-们发现人脑类器官体中的不仅仅有星型胶质细胞，神经上皮细胞等成分，还有广泛且多样的神经细胞，包括多巴胺能神经细胞，前脑神经细胞，甚至有在视网膜中广泛存在的感光细胞、神经节细胞和双极细胞（图1-2）。进一步的分析还发现了上述细胞还存在多种亚型，说明人脑类器官中细胞有极高的多样性。各种神经细胞的形态逐渐发育成熟，产生树突棘等结构，这表明它们正在与其他神经细胞建立连接。除此之外，视网膜感光细胞进一步分化成视杆细胞和视锥细胞，与人体中自然生长的过程十分相似。图1-2人脑类器官中细胞类型的多样性[12]少突胶质细胞是中枢神经系统中除神经元和星形胶质细胞外第三主要的细胞类型，少突胶质细胞对健康大脑来说必不可少，许多神经系统疾病都是由少突胶质细胞髓鞘缺陷引起的，包括多发性硬化和罕见的儿科疾玻在类脑器官培养中，Madhavan[13]等通过用血小板衍生生长因子AA（PDGF-AA）和胰岛素样生长因子1（IGF-1）在类器官皮质球模型中获得了少突胶质祖细胞种群，然后使用甲状腺激素（T3）诱导少突胶质细胞分化，最终在配第60-70天髓鞘形成。少突胶质细胞的出现能更准确地再现人类大脑发育过程中细胞间的相互作用情况。之前这些生产人脑类器官的方案都存在一个所谓“批量综合征”的问题，它们不仅在来自不同实验室或不同患者的类器官之间，而且在来自同一iPSCs来源的类器官之间也显示出显著的差异性[14]。这限制人脑类器官在药物筛选这种需要高通量同性质模型上的应用。有研究表明通过使用均质水凝，特别是，
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-6-同的RI会散射入射光。此外，内源性色素包括血红素、脂褐素和黑色素都会阻碍了光的传播[18]。组织透明化可大大提高组织成像的清晰度，更利于观察深层细胞结构，研究大块组织或完整器官。目前最新的组织透明化技术为PEGASOS透明化技术。组织清除方法根据使用清除组织试剂的组成可分为两大类：有机溶剂透明化和水试剂透明化。PEGASOS是一种新型油性透明化试剂，是基于聚乙二醇（PEG）相关溶剂体系的组织透明化方法[19]。实验证明，PEGASOS方法能使几乎所有类型的组织透明（图1-3），除了色素上皮也包括骨头和牙齿在内的硬组织，在透明化后几乎看不见上述组织。而且透明化介质中的聚乙二醇成分可对内源性荧光提供长期保护[20]。使用PEGASOS透明化法，能对完整的小鼠大脑进行成像，并对单个轴突和神经元进行了远距离追踪。该研究方法能够通过椎骨成像来识别周围神经系统（PNS）和中枢神经系统（CNS）之间的联系，还揭示了长骨骨髓内的神经分布模式。图1-3组织透明化技术[19]1.2.3人脑类器官用于疾病模型的研究人脑类器官可在体外模拟神经发育紊乱，CDK5RAP2基因的截断突变影响新皮质祖细胞，导致整个大脑变校然而，之前的研究是在小鼠模型上进行的，这些模型并没有重现人类小头畸形的症状。Lancaster用来自严重小头畸形的CDK5RAP2截断突变患者的成纤维细胞产生iPSC细胞并以此构建人脑类器官。如图1-4所示，这种人脑类器官已经显示出一种原始的表型，比野生型的人脑类器官要校对病人源性类器官中神经祖细胞的分析显示，它们有丝分裂区平面面积增加，而这些分裂区平面不垂直于脑室表面。这与野生型的情况相反，野生型中神经祖细胞垂直于脑室表面分裂可以维持祖细胞位置稳定，同时这种分裂方式对于维持细?
本文编号：3578850
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
人脑类器官培养过程[2]
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-4-们发现人脑类器官体中的不仅仅有星型胶质细胞，神经上皮细胞等成分，还有广泛且多样的神经细胞，包括多巴胺能神经细胞，前脑神经细胞，甚至有在视网膜中广泛存在的感光细胞、神经节细胞和双极细胞（图1-2）。进一步的分析还发现了上述细胞还存在多种亚型，说明人脑类器官中细胞有极高的多样性。各种神经细胞的形态逐渐发育成熟，产生树突棘等结构，这表明它们正在与其他神经细胞建立连接。除此之外，视网膜感光细胞进一步分化成视杆细胞和视锥细胞，与人体中自然生长的过程十分相似。图1-2人脑类器官中细胞类型的多样性[12]少突胶质细胞是中枢神经系统中除神经元和星形胶质细胞外第三主要的细胞类型，少突胶质细胞对健康大脑来说必不可少，许多神经系统疾病都是由少突胶质细胞髓鞘缺陷引起的，包括多发性硬化和罕见的儿科疾玻在类脑器官培养中，Madhavan[13]等通过用血小板衍生生长因子AA（PDGF-AA）和胰岛素样生长因子1（IGF-1）在类器官皮质球模型中获得了少突胶质祖细胞种群，然后使用甲状腺激素（T3）诱导少突胶质细胞分化，最终在配第60-70天髓鞘形成。少突胶质细胞的出现能更准确地再现人类大脑发育过程中细胞间的相互作用情况。之前这些生产人脑类器官的方案都存在一个所谓“批量综合征”的问题，它们不仅在来自不同实验室或不同患者的类器官之间，而且在来自同一iPSCs来源的类器官之间也显示出显著的差异性[14]。这限制人脑类器官在药物筛选这种需要高通量同性质模型上的应用。有研究表明通过使用均质水凝，特别是，
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-6-同的RI会散射入射光。此外，内源性色素包括血红素、脂褐素和黑色素都会阻碍了光的传播[18]。组织透明化可大大提高组织成像的清晰度，更利于观察深层细胞结构，研究大块组织或完整器官。目前最新的组织透明化技术为PEGASOS透明化技术。组织清除方法根据使用清除组织试剂的组成可分为两大类：有机溶剂透明化和水试剂透明化。PEGASOS是一种新型油性透明化试剂，是基于聚乙二醇（PEG）相关溶剂体系的组织透明化方法[19]。实验证明，PEGASOS方法能使几乎所有类型的组织透明（图1-3），除了色素上皮也包括骨头和牙齿在内的硬组织，在透明化后几乎看不见上述组织。而且透明化介质中的聚乙二醇成分可对内源性荧光提供长期保护[20]。使用PEGASOS透明化法，能对完整的小鼠大脑进行成像，并对单个轴突和神经元进行了远距离追踪。该研究方法能够通过椎骨成像来识别周围神经系统（PNS）和中枢神经系统（CNS）之间的联系，还揭示了长骨骨髓内的神经分布模式。图1-3组织透明化技术[19]1.2.3人脑类器官用于疾病模型的研究人脑类器官可在体外模拟神经发育紊乱，CDK5RAP2基因的截断突变影响新皮质祖细胞，导致整个大脑变校然而，之前的研究是在小鼠模型上进行的，这些模型并没有重现人类小头畸形的症状。Lancaster用来自严重小头畸形的CDK5RAP2截断突变患者的成纤维细胞产生iPSC细胞并以此构建人脑类器官。如图1-4所示，这种人脑类器官已经显示出一种原始的表型，比野生型的人脑类器官要校对病人源性类器官中神经祖细胞的分析显示，它们有丝分裂区平面面积增加，而这些分裂区平面不垂直于脑室表面。这与野生型的情况相反，野生型中神经祖细胞垂直于脑室表面分裂可以维持祖细胞位置稳定，同时这种分裂方式对于维持细?
本文编号：3578850
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