组织工程构建大脑皮层微组织及阿尔兹海默病模型研究

It’s of great benefit for our healthcare system and economic development to unveil Alzheimer's disease mechanism and to find out solutions for its prevention and treatment. Currently, both cell culture model and animal model can’t fully recapitulate onset and progression of human Alzheimer’s disease. In this project, we propose to bioengineer human cerebral tissue for in vitro modeling of Alzheimer’s disease at the tissue level, which potentially fills the gap of the current Alzheimer’s models between the cell level and the animal level. In our previous work, we developed a unique acoustic bioassembly technique based on bulk acoustic standing waves, enabling rapid generation of three-dimensional, multilayered cellular architecture. In this proposal, we will explore this acoustic bioassembly technique to bioengineer cerebral cortex in vitro model, recapitulating multiscale architectures of human cortical tissue, including cortical layers, cortical columns, neural microcircuits between and within cortical layers, neurons, and synapses. Subsequently, we will treat this bioengineered cortical tissue with amyloid β-protein monomers, oligomers and fibrils, and investigate pathogenesis over multiscale architectures of the bioengineered cortical tissue. We expect that this project will result in a novel tissue-level 3D in vitro model for Alzheimer’s research, reveal the amyloid β-protein’s effects on multiscale features of the cortical tissue during onset and progression of Alzheimer’s disease, and finally support efforts for probing Alzheimer’s disease mechanism and its drug discovery.

深入研究阿尔兹海默病的发病机制和防治方法对人口健康和社会经济发展具有重大意义。针对现有细胞水平和动物水平模型在模拟人类阿尔兹海默病发生和发展上存在的局限，本项目提出工程构建人类大脑组织水平体外模型，并在此基础上建立阿尔兹海默病表型模型，填补了现有该病细胞水平和动物水平模型之间的空缺。前期，我们建立了一种独特的体超声驻波场三维组装技术，能够将细胞快速成型为预定的三维多层细胞微结构。本项目拟利用该技术构建大脑皮层组织多尺度结构模型，包括脑皮层、皮层柱、层内和层间的神经微电路、神经细胞和突触连接，并用β-淀粉样蛋白单体、多肽和纤维处理大脑皮层模型，在多个尺度结构上研究大脑皮层组织的病理变化。本项目预期构建大脑皮层组织水平的阿尔兹海默病三维体外模型，揭示阿尔兹海默病发生和发展过程中β-淀粉样蛋白对脑皮层多尺度结构的影响规律，为深入研究阿尔兹海默病的机制和药物筛选提供创新支撑平台。

随着我国老龄化进程的加快，阿尔兹海默病（AD）给我国人口健康和社会经济发展带来的负担越来越重，深入研究阿尔兹海默病的发病机制和防治方法对人口健康和社会经济发展具有重大意义。针对现有细胞水平和动物水平模型在模拟人类阿尔兹海默病发生和发展上存在的局限。本项目依据人体大脑皮层具有复杂多尺度结构的特点，综合组织工程学和发育生物学等原理和方法，建立反映人体大脑皮层组织结构和功能特点的体外模型系统。.（1）基于组织工程学原理和技术构建的皮层微组织.基于人类大脑皮层的微解剖结构，仿生设计具有六层神经元的人脑皮层组织模型。我们建立了两种体超声生物组装构建人脑皮层组织模型的策略。策略一：我们采用体超声生物组装技术，组装hiPSC分化的神经祖细胞形成六层同心环的细胞结构，并进一步通过神经分化获得功能成熟的六层神经元结构。策略二：我们采用体超声生物组装技术，组装hiPSC分化成熟的神经元，进一步进行培养获得成熟的六层神经元结构。声学组装的大脑皮层微组织忠实地反映了人类大脑皮层组织的标志性特征。.（2）基于发育生物学原理和技术构建的大脑类器官.基于人类大脑的发育路径，我们利用人多能干细胞在体外建立大脑类器官模型，并进一步研究HSV-1在大脑发育和Aβ相关的神经病学改变。此外，我们还针对现有的大脑类器官的培养方法进行了优化，结合微流控技术，简化了大脑类器官的培养流程，提高了大脑类器官的均一性和重现性，并发现微流体能够显著促进大脑类器官的分化与成熟。最后，我们用Tau fibril处理芯片上的大脑类器官作为概念证明，结果表明Tau fibril诱导大脑类器官中的神经元丢失和炎症反应。该技术为基于大脑类器官的药物筛选和毒性测试的标准化提供了创新性研究平台。.本项目实施期间取得了一系列有显示度的研究成果，包括高质量SCI研究型论文4篇，综述论文1篇，专著章节1篇，申请技术发明专利3项。