利用生物相容性聚合物实现人类皮质类器官的规模化生产

人类多能干细胞衍生的三维神经培养方法在研究人类大脑发育和神经精神疾病方面具有巨大潜力。目前生成神经类器官的方法主要包括将单个类器官嵌入细胞外基质或在悬浮培养中培养类器官。然而，尽管悬浮培养方法相对简单易行，但维护神经类器官需要大量时间，需要人工分离并避免类器官随时间的不良融合。这种自发融合往往限制了均匀大小类器官的衍生和实验规模。

2025年6月27日，发表在Nat Biomed Eng上题为Scalable production of human cortical organoids using a biocompatible polymer的文章为解决这一问题，研究团队筛选了可添加到培养基中的生物相容性聚合物，以防止融合并能够在单个孔中培养多个类器官。他们基于分子量、化学结构、静电荷和生物相容性选择了23种候选聚合物进行筛选。最终，研究团队发现一种名为黄原胶的生物相容性多糖可以显著减少类器官的自发融合，从而实现大规模培养和筛选。

研究结果

1，聚合物筛选与黄原胶的抗融合效果。

研究团队通过系统筛选23种生物相容性聚合物发现，黄原胶(XG)这种广泛应用于食品和药物制剂的生物相容性外多糖，能够显著减少hCO的自发融合。在第6天开始向神经分化培养基中补充黄原胶，通过在24孔板的每个孔中培养5个hCO并在25天后计数剩余hCO数量来评估效果。结果显示，与未处理的培养基相比，黄原胶处理显著提高了类器官的产量(P = 0.01)，甚至在0.01%的低浓度下也观察到效果。黄原胶的抗融合效果在多个hiPS细胞系中得到确认，并且产生了大小均匀的hCO。

2，黄原胶对培养基物理性质和类器官渗透性的影响。

为了解黄原胶抗融合效果的机制，研究团队探讨了生物聚合物分子量、培养基黏度和渗透压对抗融合效果的贡献。黄原胶补充导致培养基黏度增加(P = 0.01)和渗透压升高(P < 0.0001)，表明这些生物物理性质的变化可能有助于抗融合效果。通过使用荧光染料进行细胞外液成像实验验证，发现黄原胶培养基能够很好地渗透到hCO内部，与无黄原胶培养基相比渗透性良好。此外，高分子量的透明质酸虽然也是带负电荷的聚合物，但并不能减少hCO融合，表明抗融合效果不太可能仅仅归因于生物聚合物的分子量。

3，黄原胶对类器官大小、细胞组成和神经分化的影响。

研究团队深入分析了黄原胶补充对神经分化过程中类器官大小和细胞组成的影响。发现XG-hCO的横截面积比未处理条件下更小，但通过在单个低附着细胞培养板的单孔中分别培养类器官进行验证，发现黄原胶处理实际上并不影响类器官生长，甚至可能由于黄原胶处理对hCO生长的积极作用而略有增加。这表明大小减少主要与黄原胶防止融合有关，而非干扰类器官生长。免疫细胞化学分析显示，XG处理的hCO在个体和批量培养条件下都显示出与未处理hCO条件相当的含SOX2+细胞的脑室样结构数量，神经祖细胞(SOX2+)和背侧前脑祖细胞(PAX6+)的百分比也相当。

4，单细胞RNA测序分析验证神经发育的完整性。

为了更全面地评估黄原胶对神经发育的影响，研究团队在第65天对hCO和hCO + XG进行了单细胞RNA测序分析。结果显示黄原胶处理后前脑特性没有发生重大变化。使用VoxHunt进行的无偏空间映射进一步确认了两种条件下的整体模式化是相当的。两种条件都包括皮质谷氨酸能神经元(TBR1+)、皮质祖细胞(PAX6+)和循环细胞(MKI67+)。两种条件之间标准化基因表达的相关性为R² = 0.986，表明基因表达模式高度一致。免疫细胞化学实验显示在第62天存在深层标记物CTIP2，以及在第100天表达胶质谱系标记物GFAP和上层标记物SATB2，证明了神经发育的正常进程。

5，功能活性评估和钙成像分析。

为了验证黄原胶处理是否影响hCO中的神经元活性，研究团队使用表达基因编码钙指示剂jGCaMP8s的腺相关病毒感染hCO和XG-hCO，并分析钙事件的数量。结果显示，用黄原胶生长的类器官的神经元活性与对照培养条件相当，表明黄原胶的存在不会对神经元的功能活性产生不良影响。通过3D活体共聚焦成像分析表达eYFP的神经元形态学发展，发现在胞体面积、胞体圆度和神经突数量方面没有显著变化。这些数据表明，hCO中的模式化、分化和神经元成熟不会因培养基中黄原胶的存在而受到不利影响。

6，大规模药物筛选平台的建立和验证。

利用XG-hCO的可扩展性，研究团队建立了大规模药物筛选平台。由于大多数FDA批准的药物的致畸风险尚未确定，主要是因为孕妇通常不包括在临床试验中，因此迫切需要人类模型来评估神经精神或癌症药物在妊娠期间的潜在风险。研究团队编制了包含298种药物的清单，包括神经精神疾病的FDA批准化合物和一组致畸剂。使用XG补充培养基在多个24孔板中培养多个hCO，从分化的第17天到第25天测试每种药物1 µM的效果。由于黄原胶的抗融合效果，一名研究人员能够同时分化和维护超过2000个类器官。筛选发现多种化合物影响hCO的大小，特别是阿霉素(Doxo)这种已知具有致畸特性的乳腺癌药物，在6天后显著减少了hCO的大小，并通过多种验证实验确认了其剂量依赖性的生长抑制和细胞毒性效应。

全文总结

本研究成功开发出一种基于生物相容性聚合物黄原胶(XG)的神经类器官规模化培养方法，有效突破了神经类器官培养中的关键技术瓶颈。通过向神经分化培养基中补充黄原胶，显著减少了类器官的自发融合，提高了培养效率和一致性，同时保持了类器官的生物学特性和功能完整性。实验结果显示，黄原胶处理后的类器官在区域模式化、神经元形态及功能活性方面与未处理组高度一致，验证了该方法的可靠性。此外，本研究利用黄原胶抗融合的特性，成功构建了可扩展的大规模药物筛选平台，实现了对近300种FDA批准药物的高通量筛选。筛选过程中，发现了多种影响类器官生长的药物，特别是阿霉素等已知致畸化合物，展示了该平台在药物安全性评估和致畸性筛查方面的巨大潜力。该平台可与生物反应器系统或自动化培养方法结合，进一步提升可扩展性，并结合钙成像等高内涵成像技术，扩大筛选读数的规模。本研究为神经类器官技术的标准化和产业化应用奠定了重要基础，有望推动类器官在药物开发、疾病建模及个性化医疗等领域的广泛应用，同时也为其他类型类器官的培养优化提供了重要参考。