利用三维大脑细胞集合体为大脑相关疾病的诊断和药物筛查提供信息的方法技术

本发明专利技术利用由患者来源的细胞制备的三维大脑细胞集合体，对自闭症谱系障碍等大脑相关疾病进行诊断，提供了为大脑相关疾病提供信息的系统、为筛查大脑相关疾病的治疗物质提供信息的系统以及为筛查药物和选择患者定制药物提供相关信息的方法，可以早期诊断大脑相关疾病并选择适当的药物。病并选择适当的药物。病并选择适当的药物。

【技术实现步骤摘要】
利用三维大脑细胞集合体为大脑相关疾病的诊断和药物筛查提供信息的方法


[0001]本专利技术涉及一种利用三维大脑细胞集合体(three
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dimensional cerebral cell aggregates)提供大脑疾病相关信息的方法。更具体地，涉及从患者来源的细胞中制备三维大脑细胞集合体，并利用其进行大脑相关疾病的诊断和患者定制药物选择及筛查的方法。

技术介绍

[0002]类器官是指利用干细胞的分化能力(differentiation)、自我再生能力(self
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renewal)、自我组织能力(self
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organization)，通过三维培养，再现与体内脏器相似的细胞组成及结构，是新的干细胞分化技术，通过模拟与体内脏器相似的环境，可用于多种疾病模拟的研究以及治疗药物筛查的研究。此外，通过制备患者定制类器官，可以低成本、短时间内制备针对多种疾病的患者定制治疗药物。
[0003]最近有报道称可以制备出反映多种脑部特点的脑类器官，利用脑类器官进行寨卡病毒(ZIKA virus)研究或利用患者来源的脑类器官进行疾病模拟及新药开发的研究正在积极进行中。
[0004]然而，为患者定制的类器官制备成本高、耗时长。如图1所示，制备实际患者来源的诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cell，iPSCs)通常需要6到8周以上，其效率也很低，通常为0.02％左右。另外，制备类器官所需的时间根据各类器官的不同而不同，但大部分需要3到6个月以上。因此，对于年龄较大的患有退行性脑病的患者及其他急需药物治疗的患者来说，患者定制新药的研发在现实中存在一定难度。
[0005]此外，包括脑类器官在内的大多数类器官的制备都存在以下问题，这些都是类器官研究实用化或产业化所必须解决的问题：
[0006]首先，类器官的制备成本高，耗时长，且需要氧气和养分的供给，直到类器官内部分化和成熟。因此，在大多数情况下，使用震荡生物反应器(shaking bioreactor)在CO2孵化器(incubator)内进行持续震荡(shaking)和分化是必需的，并且需要使用昂贵的促分化因子进行长期处理，以实现向器官特异性的类器官分化。因此，制备特异性类器官需要耗费大量成本和时间(图1)。
[0007]第二，类器官个体间差异(batch variation)非常严重(图2)，因此，在利用类器官进行的疾病模拟研究和新药筛查研究中，可能会导致不正确的结果。
[0008]第三，类器官分化时会产生“异常分化(out
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growth)”的异常组织，这是影响类器官质量和功能的严重问题(图2)。
[0009]第四，目前类器官内部没有血管，因此氧气和养分不能正常输送到类器官的核心，导致内部细胞死亡的“死核(dead core)”现象非常普遍，这会阻碍类器官的成熟，所以必须要解决(图2)。
[0010]第五，为了进行基于类器官的高速大量筛查(high throughput screening；HTS)的药物筛选(drug screening)或药物再定位(drug repositioning)研究，需要开发符合
HTS格式(format)的类器官大量制备系统。此外，在HTS格式下，将类器官的制备和药物筛查一元化，可进行全周期one
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step类器官生产和新药开发体系的开发，是今后构建类器官自动化生产的实用化基础所必须的部分。
[0011]自闭症障碍(Autism)或自闭症是一种交流困难，且以有限和反复的行为为特征的发育障碍。最近人们一直讨论自闭症的诊断标准与不完全满足的自闭症谱系障碍(Autism spectrum disorders，ASD)的区分，认为大多数自闭症在2
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3岁的儿童时期就被发现，并在成长期表现出发育上的问题。患有自闭症的儿童，如果及早接受适当的治疗，症状可以好转或恢复正常生活。
[0012]在自闭症谱系障碍治疗方面，患者和医护人员面临的最大问题在于其成因的多样性。自闭症谱系障碍是由多种原因引起的，不同的致病性会有不同的根源性治疗方法，需要针对不同原因进行适当的药物选择及行为治疗。然而，到目前为止，还没有一种通用性的药物可以使自闭症谱系障碍的关键症状有所好转的报告。
[0013]因此，对于包括上述自闭症的自闭症谱系障碍，应进行早期诊断，并根据发生原因尽早采用适当的治疗方法。

技术实现思路

[0014]希望解决的问题：
[0015]为此，本专利技术确立了图3所示的大脑类器官在HTS平台上实现大脑类器官高速/批量制备的平台。通过上述平台，可以制备几乎没有个体间差异、异常分化的标准化大脑类器官，与传统的大脑类器官相比，具有显著提高的均质性和功能性。实现大脑类器官的高速和大量制备是可行的。
[0016]此外，本专利技术还发现上述制备的患者细胞来源大脑类器官在其形态和大小、增殖性神经前体细胞数量、早期分化神经细胞数量、以及兴奋性/抑制性神经细胞比例上与正常组相比有显著差异。因此，利用患者来源的大脑类器官，可以再现自闭症谱系障碍的主要病理学特征，专利技术自闭症谱系障碍等大脑相关疾病的诊断及药物筛查方法。
[0017]但是，本专利技术所要解决的问题不限于以上所述的问题，未述及的其他问题可以从下列记载中可为本领域普通技术人员明确理解。
[0018]解决问题的手段：
[0019]根据本专利技术的第一方面，提供了为大脑相关疾病提供信息的系统，包括以下元件：
[0020]a)培养元件，所述培养元件用于执行以下步骤：培养从患有或疑似患有大脑相关疾病的目标体和正常目标体中获得的细胞，制备三维大脑细胞集合体；和
[0021]b)检测元件，所述检测元件用于执行以下i)至iii)步骤中的至少一个步骤：
[0022]i)测定患有或疑似患有所述疾病的目标体和正常目标体的三维大脑细胞集合体的大小；
[0023]ii)测定患有或疑似患有所述疾病的目标体和正常目标体的三维大脑细胞集合体中的增殖性神经前体细胞或早期分化神经细胞的数量；和
[0024]iii)测定患有或疑似患有所述疾病的目标体和正常目标体的三维大脑细胞集合体中的兴奋性神经细胞和抑制性神经细胞的数量。
[0025]根据本专利技术实施例，所述为大脑相关疾病提供信息的系统还包括c)分析元件，所
述分析元件用于执行以下i)至iii)步骤中的至少一个步骤：
[0026]i)比较患有或疑似患有所述疾病的目标体和正常目标体的三维大脑细胞集合体的大小；
[0027]ii)比较患有或疑似患有所述疾病的目标体和正常目标体的三维大脑细胞集合体中的增殖性神经前体细胞或早期分化神经细胞的数量；和
[0028]iii)比较患有或疑似患有所述疾病的目标体和正常目标体的三维大脑细胞集合体中的兴奋性神经细胞和抑制性神经细胞的数量；
[0029]其中，所述步骤i)包括比本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.为大脑相关疾病提供信息的系统，其特征在于，包括以下元件：a)培养元件，所述培养元件用于执行以下步骤：培养从患有或疑似患有大脑相关疾病的目标体和正常目标体中获得的细胞，制备三维大脑细胞集合体；和b)检测元件，所述检测元件用于执行以下i)至iii)步骤中的至少一个步骤：i)测定患有或疑似患有所述疾病的目标体和正常目标体的三维大脑细胞集合体的大小；ii)测定患有或疑似患有所述疾病的目标体和正常目标体的三维大脑细胞集合体中的增殖性神经前体细胞或早期分化神经细胞的数量；和iii)测定患有或疑似患有所述疾病的目标体和正常目标体的三维大脑细胞集合体中的兴奋性神经细胞和抑制性神经细胞的数量。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括c)分析元件，所述分析元件用于执行以下i)至iii)步骤中的至少一个步骤：i)比较患有或疑似患有所述疾病的目标体和正常目标体的三维大脑细胞集合体的大小；ii)比较患有或疑似患有所述疾病的目标体和正常目标体的三维大脑细胞集合体中的增殖性神经前体细胞或早期分化神经细胞的数量；和iii)比较患有或疑似患有所述疾病的目标体和正常目标体的三维大脑细胞集合体中的兴奋性神经细胞和抑制性神经细胞的数量；其中，所述i)步骤包括比较存在于患有或疑似患有所述疾病的目标体和正常目标体的每个三维大脑细胞集合体内的脑室区的直径、面积、周长，以及体积中的一项或多项。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述分析元件还用于执行以下步骤：当患有或疑似患有所述疾病的目标体的三维大脑细胞集合体的脑室区大小显著大于或小于正常目标体时，输出结果：患有或疑似患有所述疾病的目标体患有大脑相关疾病。4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述分析元件还用于执行以下步骤：当患有或疑似患有所述疾病的目标体的三维大脑细胞集合体中的增殖性神经前体细胞的数量或早期分化神经细胞的数量显著多于或少于正常目标体时，输出结果：患有或疑似患有所述疾病的目标体患有大脑相关疾病。5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述分析元件还用于执行以下步骤：当患有或疑似患有所述疾病的目标体的三维大脑细胞集合体中的兴奋性神经细胞与抑制性神经细胞的比例显著高于或低于正常目标体时，输出结果：患有或疑似患有所述疾病的目标体患有大脑相关疾病。6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述大脑相关疾病包括神经前体细胞增殖异常、早期神经分化异常、兴奋性抑制失衡中的一种或多种。7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述大脑相关疾病包括大头症、小头症、自闭症、雷特氏症、儿童崩解症、阿斯伯格综合征、强迫症、强迫障碍、特定失能的全面性发育障碍、自闭症谱系障碍、双向情感障碍和躁狂症中的一种或多种。8.为筛查大脑相关疾病的治疗物质提供信息的系统，其特征在于，包括以下元件：a)培养元件，所述培养元件用于执行以下步骤：培养从患有大脑相关疾病的目标体中获得的细胞，制备三维大脑细胞集合体；将候选物质接触部分所述三维大脑细胞集合体；和
b)检测元件，所述检测元件用于执行以下i)至iii)步骤中的至少一个步骤：i)测定接触所述候选物质和未接触所述候选物质的三维大脑细胞集合体的大小；ii)测定接触所述候选物质和未接...

【专利技术属性】
技术研发人员：金南衡，韩东旭，郭浩，姚雪瑞，金哲龙，
申请(专利权)人：广东省奥干诺伊德生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：