[发明专利]用于产生生物工程化的神经元类器官(BENO)的方法及其用途

说明书

本发明涉及神经组织(特别是大脑)的体外3D建模领域。需要开发反映神经组织的生理方面的神经组织的细胞培养模型。本发明提供了产生形成功能性神经元网络的生物工程化的神经元类器官(BENO)的方法。本发明还涉及例如在药物筛选和个性化药物领域中所产生的BENO的用途和应用。

背景技术

神经组织，特别是源自哺乳动物的脑(如人脑)组织的体外3D建模，代表了一种强大的组织生物工程化工具，可用于研究复杂的神经元细胞系统。通常，与相应的2D培养系统相比，3D细胞培养系统提供更快的细胞分化、更高的细胞复杂性和寿命。用于神经组织体外3D建模的一种有前途的方法包括多能干细胞(PSC)的使用，其已用于各种人组织和器官的建模中。3D建模方法的这些优点与最近使用的技术(例如，将患者成纤维细胞重编程为诱导的PSC)相结合，共同为阐明负责多种基于人神经元疾病的潜在分子机制提供了新的视野。

文献中存在许多诱导人干细胞神经分化的方案。一种这样的方法包括在培养中通过双重SMAD(Sma和Mad Related Family)信号传导通路抑制(即，通过BMP和TGFβ抑制)诱导神经外胚层约8-12天(Chambers,Fasano等人,Nat.Biotechnol.,2009)。在这个时间点，大多数干细胞转化为神经祖细胞(NPC)。第12天后，几种方案(Lancaster和Knoblich,Science,2014)允许细胞自发分化为各种神经元和神经胶质细胞，而其他方案(Qian,Nguyen等人,Cell,2016；Birey,Andersen等人,Nature,2017)应用各种模式因子来模式化组织、或应用神经营养因子(BDNF，GDNF)来增强神经元存活。此外，已观察到dbcAMP添加或DAPT对notch的抑制可增强此类多能细胞的神经元分化(Crawford和Roelink,Dev.Dyn.,2007；Kriks,Shim等人，Nature,2011)。用于神经诱导和分化的因子以及治疗时间安排的差异定义了这些程序提供的分化潜力。在另一份报告中，人大脑类器官生产为小头畸形的模型，小头畸形是使用小鼠模型不易再现的疾病(Lancaster等人,Nature,2013,Qian,Nguyen等人，Cell,2016)。

尽管人神经元类器官的产生取得了进步，但是仍然存在许多缺陷，限制了现有神经元类器官的应用。例如，已知方法缺乏对神经元类器官的精确定义；因此，此类类器官通常表现出高表型变异性。这部分是由于常规使用的作为神经发生支持底物的Matrigel。

与已知方法相关的另一个缺点是所产生的类器官缺乏神经元网络功能，因此显著限制了对神经元功能和可塑性的任何研究。由于已知产生的神经元类器官结构与正常脑组织相比的远程表型相似性，也限制了疾病建模和药物开发。

因此，需要基于使用确定的化学成分产生神经元类器官的方法，以允许所产生的结构的一致性。此外，需要产生能够形成功能性神经元网络的神经元类器官，以有意义地模仿天然神经结构。

本发明提供了在定义明确的3D细胞培养系统中允许稳健和可再现的神经分化的方法，其进一步为研究功能性神经元网络的形成和可塑性特征提供了良好的基础。

本发明的类器官在药物开发中进一步提供了有价值的工具。例如，此类类器官可以有意义地降低与临床前和临床药物开发相关的通常过高的成本，至少是由于减少了对基于动物的实验的需求，并且减少了预测上市结果后的临床试验所需患者的数量。另外，可以在人模型中有效地测试新的生物制剂(例如，非编码RNA治疗剂)和基因组编辑(例如，使用基于CRISPR的平台)。因此，该领域的快速发展得益于高预测性人类器官模型的可用性，如本发明提供的模型。

发明内容

本发明涉及一种从多能干细胞(PSC)生产生物工程化的神经元类器官(BENO)的方法，该方法包括：

(A)提供PSC来源；

(B)培养步骤(A)的PSC，将其包埋在浸没在细胞培养介质中的基质中；