人的大脑在早期发育过程中很容易受到环境和有害物质的影响。尼古丁，作为吸入烟草烟雾的主要成分，被认为是一种潜在的神经致畸物，可引起胎儿大脑功能障碍。目前，大多数关于产前尼古丁暴露的研究是在动物模型上进行的，很难获得人类胎儿在产前尼古丁暴露下发育受影响的准确信息。2018年，来自中科院大连化物所的秦建华研究员团队在Lab on a Chip杂志上发表了以《Human brain organoid-on-a-chip to model prenatal nicotine exposure》为题的研究文章，研究者通过将类器官与器官芯片技术结合，在体外生成了hiPSCs衍生的脑类器官并将其应用于研究尼古丁暴露对早期神经发育的影响。
研究者设计了一款包含5个平行通道的微流控芯片，其中2个培养通道允许3D细胞培养胚状体(EBs)，中央通道允许灌注流体流动，通过这种设计实现了连续灌注下的大脑类器官3D培养。
为了在芯片上生成脑类器官，EBs最初由hiPSCs在附着板中3D培养，然后将EBs悬浮在Matrigel中，在第11天将混合物注入芯片装置(图A)。在芯片上形成大而极化的神经上皮细胞围绕着一个充满液体的腔，其顶端表面CD133特征性表达(图B)。在灌流培养下，脑类器官具有较高的生存能力且营养交换充足(图C)。
进一步，研究者研究了脑类器官中神经分化、特定脑区域化和皮层组织的详细特征。通过免疫组化染色鉴定特定标记物显示了大脑类器官发育过程中的早期脑分区和皮质层发生，证明了芯片脑类器官的高效组织与形成，再现了早期人类胎儿大脑发育的关键特征。接下来，研究者探究了尼古丁暴露对神经元分化的影响。研究者采用不同剂量的尼古丁(0、1、10 μM)在不同时间段(0、5和14天)处理脑类器官。在神经上皮细胞增殖和神经发生的活跃期(从第11天开始)，类器官暴露于尼古丁。在第16和第25天，免疫荧光染色神经祖细胞(SOX2)和神经元(TUJ1)定量研究尼古丁暴露的脑类器官内的神经元分化。结果显示，用1或10 μM尼古丁处理5天的类器官神经分化过早，且尼古丁对脑类器官发育过程中神经元分化有时间依赖性影响和明显诱导脑类器官细胞凋亡。
利用类似的方法，研究者还研究了尼古丁暴露对脑区域组织和脑类器官发育的影响。尼古丁显著抑制了PAX6+细胞的增殖，但促进了PAX2+区域的发育，这表明尼古丁的暴露导致了类器官的前脑和后脑发育失调。同时，尼古丁的暴露还损伤了脑类器官的皮质发育，这可能有助于理解各种产后认知功能障碍。
最后，研究者探究了尼古丁是否会干扰神经突的生长。通过量化不同条件下的平均神经突长度，结果显示高剂量尼古丁处理后神经突的长度随时间延长而显著缩短，这表明神经突的生长受到干扰。
本研究中，研究者创建的大脑类器官芯片系统概括了人类大脑发育早期阶段的关键特征并模拟了产前尼古丁暴露下的神经发育障碍。该系统的明显优势在于能够在受控的细胞微环境中进行灌注3D培养和脑类器官自组织，联合实时成像的附加功能，克服了传统方法的潜在局限性。
参考文献：
Wang Y, Wang L, Zhu Y, Qin J. Human brain organoid-on-a-chip to model prenatal nicotine exposure. Lab Chip. 2018 Mar 13;18(6):851-860.
