2009年，Hans Clevers及其团队成功利用小鼠肠道的成体干细胞培育出了第一个肠道类器官，从而揭开了类器官研究的新篇章。类器官的培养过程涉及成体干细胞（TSCs）或多能干细胞（PSCs）在体外进行3D培养，形成具有一定空间结构的组织模拟物，其结构和功能类似于真实器官，这有助于提高药物研发的成功率。未来借助AI技术与类器官的联合应用，药物筛选将变得更为高效和精准。
人类大脑发育是一个复杂而精密的过程，不仅与神经祖细胞大规模扩张有关，还需要同时建立一个多细胞组织结构。理论上，不断扩大的类器官可以直接从多个体组织细胞中生长，但到目前为止，脑类器官只能从多能干细胞中建立。2024年1月，类器官鼻祖Hans Clevers教授与Benedetta Artegian教授团队在CELL上联合发表了“Human fetal brain self-organizes into long-term expanding organoids”一文。该研究直接从人胎儿脑组织中培育出体外自组织的大脑类器官，命名为FeBOs（Fetal brain in vitro self-organizes into organoids）。这种实验室培养的类器官不仅创立了研究大脑发育的全新模式，还为深入探讨大脑发育相关疾病，如脑肿瘤的发展和治疗，提供了有价值的新途径。
首先，研究人员从人类胎儿脑组织中分离出神经干细胞（NSCs），这些细胞以单层或3D细胞聚集物的形式生长；同时，若将组织切成小块，并在无血清和无细胞外基质的培养基中培养，也能形成有组织的3D结构，称之为胎儿衍生脑类器官（FeBOs）。超过95%的FeBOs系可通过切割整个类器官样体进行传代，每个切割片段都能重新形成完整的类器官样体，提高了FeBOs系的可重复性，为下游应用提供了稳定的扩增。随后，研究人员利用标志基因评估FeBOs的细胞组成，发现外围富含神经干/祖细胞（SOX2+），而中心则分布神经元细胞（TUJ1+, DCX+, NeuN+）。细胞组成定量分析显示，FeBOs内细胞的可再生丰度和异质性。通过慢病毒感染完整的FeBOs，研究人员评估了细胞系动力学，发现标记细胞数量随时间增加，支持正在进行的神经发生。此外，转录组分析还揭示了FeBOs的神经外胚层特征。
图1 人胎儿脑自组织类器官的建立
为研究是否能够培养具有人脑区域特异性的FeBOs，检验其在体外是否能保持内在组织特性，研究团队成功建立了背侧和腹侧FeBOs系，并通过qPCR检测标志物的表达。随后，免疫荧光表征进一步显示了FeBOs的区域特异性，同时单细胞RNA测序分析也进一步揭示了FeBOs与人胎儿脑组织细胞的相似性。
图2 FeBOs与人胎儿脑组织的细胞相似性
越来越多的证据表明，细胞外基质(ECM)和ECM-细胞相互作用在调节人类大脑发育中的特异性扩张方面起着至关重要的作用。通过与蛋白质组数据比较，他们发现大脑ECM关键成分在转录组-蛋白质组表达上呈现出良好的一致性。分泌蛋白组的结果显示，持续的组织完整性有助于生成ECM生态位，而ECM生态位可能反过来促进FeBOs在组织结构中的持续扩张，使研究人类大脑发育中的功能性ECM成为可能。
鉴于来源于组织的类器官具备迅速扩张的潜力，研究团队深入研究了这些类器官在模拟脑癌方面的潜能。在本文中，研究团队利用NEPA21成功将piggyBac质粒、CAG-EGFP质粒、sgRNA质粒和mCherry-Cas9质粒共转染至人胎儿脑类器官中，实现了FeBOs的荧光标记和基因编辑。结果显示，经过3个月的培养，具有TP53基因缺陷的细胞数量超过了类器官中的健康细胞，表明该FeBOs突变株具备癌细胞异常增殖的特性。这一研究提供了先进的类器官模型，为深入了解大脑发育和相关疾病提供有力工具，对神经科学研究和疾病治疗具有重要。
图3 FeBOs支持稳定的肿瘤建模
值得关注的是，肿瘤类器官模型的建立依赖于稳定、高效的转染方法。有报告指出，脂质体转染试剂在肠道类器官中的转染效率不足10%。逆转录病毒转导和慢病毒转导效率较高，但是病毒随机整合到宿主中具有潜在的诱变性。电穿孔法不仅可以实现类器官60%或更高的转染效率，同时也具备更高的生物安全性。
NEPA21电转染仪是由日本NEPAGENE品牌推出的一款先进的电穿孔设备，其四步法电转程序极大地提升了类器官转染的效率，使其成为类器官转染领域的解决方案。自2015年起，Hans Clevers教授及其合作团队便使用NEPA21进行类器官转染，至今已经在肠道、肝脏、乳腺组织、子宫内膜和大脑等多种组织类器官中成功实现了基因转染及编辑。
NEPA21电穿孔类器官体系及参数总结如下：
人胎儿脑类器官
人乳腺组织类器官
人胎儿肝脏类器官
人肠道类器官
图4 类器官电穿孔基本流程
了解更多类器官电转染实验操作及参数设置或查阅NEPAGENE类器官应用文献：
NEPA21高效基因转染系统采用全新设计的电转程序，配合电压衰减设计，在获得高转染效率的同时，提高细胞存活率。操作简单，电转参数可见可调，适用性强。特别适用于难转染的原代免疫细胞、干细胞、神经细胞、外泌体、类器官、活体动物、受精卵及宫内胚胎等的转染，已应用于众多著名期刊文献中，是进行细胞悬浮/贴壁状态、活体和离体组织转染的电转系统主流品牌之一。
参考文献
◀ Hendriks D, Pagliaro A, Andreatta F, et al. Human fetal brain self-organizes into long-term expanding organoids[J]. Cell, 2024.
◀ Hendriks D, Brouwers J F, Hamer K, et al. Engineered human hepatocyte organoids enable CRISPR-based target discovery and drug screening for steatosis[J]. Nature Biotechnology, 2023: 1-15.
◀ Dekkers J F, van Vliet E J, Sachs N, et al. Long-term culture, genetic manipulation and xenotransplantation of human normal and breast cancer organoids[J]. Nature protocols, 2021, 16(4): 1936-1965.
◀ Hendriks D, Artegiani B, Hu H, et al. Establishment of human fetal hepatocyte organoids and CRISPR–Cas9-based gene knockin and knockout in organoid cultures from human liver[J]. Nature Protocols, 2021, 16(1): 182-217.
◀Fujii M, Matano M, Nanki K, et al. Efficient genetic engineering of human intestinal organoids using electroporation[J]. Nature protocols, 2015, 10(10): 1474-1485.
