威斯康星大学麦迪逊分校开发的干细胞技术使人们对自闭症风险有了新的认识

威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin–Madison）开发的用于培养大脑和脊髓组织“玫瑰花结”的技术为科学家提供了研究不断增长的人类大脑的新方法，包括最近一项关于与自闭症相关的基因突变如何影响人类大脑发育早期阶段的研究。

这是使用RosetteArray技术的最新发现，RosetteArray技术是一种筛选工具，使用干细胞产生称为神经玫瑰花结的胚胎前脑或脊髓组织结构。神经玫瑰花结是产生人类干细胞衍生的神经类器官（类似于更大、更复杂器官的细胞簇）的起始材料，可用于评估不同的基因组成或暴露于化学物质是否会增加神经发育中断的风险。

“这项技术使我们能够获得人类中枢神经系统发育的胚胎模型，否则我们将无法获得，”威斯康星大学麦迪逊分校生物医学工程教授兼干细胞和再生医学中心副主任Randolph Ashton说。“这很有用，因为我们现在不仅可以更多地了解人类发展，而且我们可以了解它何时出错。

阿什顿和威斯康星州发现研究所的科学家加文·奈特（Gavin Knight）在阿斯通的实验室获得了博士学位，他们开发了RosetteArrays背后的技术，该技术由Neurosetta销售，该公司是他们在威斯康星大学麦迪逊分校发现产品和威斯康星校友研究基金会（WARF）加速器计划的支持下共同创立的。

RosetteArray技术在最近发表在《自然神经科学》上的一项研究中发挥了重要作用。这项研究由南加州大学干细胞生物学家Giorgia Quadrato领导，Ashton和Knight是合著者，他们研究了一种名为SYNGAP1的基因的突变。

长期以来，SYNGAP1突变一直与自闭症谱系障碍、癫痫、神经发育障碍等危险因素有关，但到目前为止，该基因主要在动物模型中进行研究，并重点关注SYNGAP1对突触的影响，突触是长脑细胞尖端的结构，称为神经元，允许它们将信号传递给邻近细胞。

在他们新的SYNGAP1自闭症研究中，Quadrato和她的实验室使用RosetteArray技术从健康的人类细胞以及患有SYNGAP1致病变异的患者的细胞中培养神经玫瑰花结。通过分析这些年轻的、正在发育的神经类器官，Quadrato确定人类放射状神经胶质细胞 – 负责产生大脑外层所有神经元的细胞，称为大脑皮层 – 可以表达SYNGAP1。当SYNGAP1发生突变时，它会导致皮质板的组织中断，皮质板是产生大脑皮层的早期大脑结构。这表明与SYNGAP1相关的脑部疾病可以通过非突触机制引起。

Quadrato Lab和Neurosetta计划合作开展进一步研究，以探索可以使用RosetteArray技术建模的自闭症谱系障碍遗传背景的程度，Ashton希望最终将导致新的精准医学方法。

“仅仅能够模拟早期人类发育，在这种情况下是大脑和脊髓的形成，就为你提供了一个非常强大的平台来尝试改善人类健康，”阿什顿说。“我们惊讶地看到神经系统疾病突变在这些组织形成的早期阶段的影响。RosetteArrays 在受孕后大约四到六周进行建模，我们了解到您可以开始看到自闭症的标志物，这是一种人们通常要到 2 岁后才会被诊断出患有的疾病。因此，我们可以在人类发展模型中很早就看到这一点，这一事实令人惊叹。

阿什顿说，使用RosetteArray等技术的研究人员发现，自闭症谱系障碍的危险因素可以归结为几个核心途径，这些途径似乎在人类大脑发育的早期就起作用，这在研究人员进行治疗时是有用的信息。

虽然这篇论文的重点是研究脑组织，但Ashton在他自己的实验室中使用了RosetteArray平台来研究神经管形成的缺陷。

“（神经管）是一种从胚胎头部一直向下穿过脊髓后部的结构。所有的大脑、脊髓和眼部组织都来自这个神经管，“阿什顿说。“碰巧的是，很多事情都会破坏这个过程，如果这种形成被打乱得足够早，那么它会导致很多问题。它可能导致先天性出生缺陷，称为神经管缺陷，例如脊柱裂，即下脊柱没有完全闭合。或者，如果你的神经管上部闭合失败，导致妊娠失败，那么了解这个过程是至关重要的。

Ashton和他的实验室成员一直在使用RosetteArrays来研究可能导致脊柱裂缺陷的原因以及如何减轻它们。

“我们在食品供应、杀虫剂和抗癌药物中使用的已知化学品在历史上与导致神经管缺陷有关。因此，重要的是，我们必须有办法测试新的化学和化学过程，以确保它们不会对人类发展产生这些影响，“阿什顿说。“我们使用了啮齿动物模型，但动物和人类之间存在差异。RosetteArray提供了一种测试这些化学物质对早期人类大脑和脊髓发育的影响的方法。

RosetteArray平台也可用于个体化医疗，因为它可用于筛选个体患者的细胞系，以更好地了解一个人基因组背景的突变如何导致疾病，以及一个人的基因组背景和他们接触的化学物质之间的相互作用如何导致健康风险。

“我们认为这个平台对于筛选可能导致神经发育风险的化学物质的商业应用以及临床应用都非常有用，”Ashton说。“我认为该工具的真正力量在于精准医疗和药物发现。