一种用于模拟胚胎时期环境污染物对大脑发育损伤研究的脑类器官模型的应用

本发明属于环境暴露预防和治疗，具体涉及一种用于模拟胚胎时期环境污染物对大脑发育损伤研究的脑类器官模型的应用。

背景技术：

1、研究环境暴露对人体的影响在很大程度上依赖于技术，从测量空气和水质量的监测设备到使研究人员能够可视化环境毒素对组织和器官的影响的复杂成像技术。尽管技术不断进步，但在环境暴露对人体影响的研究中仍存在若干问题。包括：生物监测的局限性：虽然生物监测可以提供有关暴露水平的有价值信息，但它并不总能提供暴露与健康结果之间的明确联系。这是因为不同的人可能对相同水平的暴露有不同的反应，这取决于年龄、遗传和整体健康等因素。环境传感器的可用性有限：虽然环境传感器可以提供污染物水平的实时数据，但它们并不被研究人员广泛可用或负担得起。这可能会限制它们在污染严重的地区的用途。伦理方面的考虑：一些用于研究环境暴露对人体影响的技术，例如将人体暴露在环境毒素中，会引发伦理问题。确保以合乎道德和负责任的方式进行研究非常重要。缺乏纵向研究：许多关于环境暴露对人体影响的研究都是横断面的，这意味着它们仅提供单个时间点的暴露和健康结果的反馈。随着时间的推移跟踪个人的纵向研究可以提供有关环境暴露的长期影响的更多信息。难以将健康结果归因于环境暴露：将特定的健康结果归因于环境暴露可能具有挑战性，因为许多因素都会影响健康。这可能使确定因果关系和制定有效的干预措施以减少接触和预防不良健康影响变得困难。总的来说，虽然技术推动了环境暴露对人体影响的研究，但仍有一些挑战和局限性需要解决。需要进一步研究开发新技术和方法，以更好地理解环境暴露与人类健康之间的复杂关系。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于模拟胚胎时期环境污染物对大脑发育损伤研究的脑类器官模型的应用，本发明的疾病模型更准确和更具预测性，其成本更低，对动物试验的需求也更少；可以大量生长并使用高通量方法进行筛选，使研究人员能够快速有效地测试多种环境毒素对类器官行为的影响。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案包括：

3、第一方面，本发明提供一种用于模拟胚胎时期环境污染物对大脑发育损伤研究的脑类器官模型的应用。

4、进一步地，上述技术方案中，所述脑类器官模型有大脑皮层结构，所述脑类器官模型中至少包括：组细胞：sox2+细胞、神经元：map2+细胞、深层神经元：tbr1+细胞和未成熟神经元：tuj1+细胞。

5、进一步地，上述技术方案中，所述胚胎时期为人类胚胎时期。

6、进一步地，上述技术方案中，所述环境污染物包括由生产建设或活动产生的危害生活或生态环境的污染物。

7、进一步地，上述技术方案中，所述环境污染物包括：内分泌干扰物(edcs)、药品与个人护理用品(ppcps)、全氟化合物(pfcs)、溴代阻燃剂(brps)、饮用水消毒副产物(dbps)。

8、进一步地，上述技术方案中，所述脑类器官模型的构建方法包括：在无血清的人胚胎干细胞培养基中培养人胚胎干细胞，形成胚状体；然后加入rock抑制剂，在分化一定时间后，胚状体被分化为皮质类器官；然后更换为不含维生素a的神经分化培养基进行培养，即得。

9、进一步地，上述技术方案中，所述人胚胎干细胞为人胚胎干细胞系h9。

10、进一步地，上述技术方案中，所述rock抑制剂为y27632。

11、进一步地，上述技术方案中，加入所述rock抑制剂的浓度为50-60μm。

12、进一步地，上述技术方案中，所述分化一定时间为分化10-12天。

13、本发明主要涉及环境污染物的暴露方法以及损伤指标选择，包括：

14、a)使污染物与脑类器官模型接触(根据气体和水体中污染物含量预测暴露浓度，可以设浓度梯度以来研究造成脑部发育损伤的污染物浓度阈值)；

15、b)表征脑类器官生长凋亡marker来判断环境暴露物是否对大脑发育各类细胞生长发育是否有影响；

16、c)形态学表征脑类器官整体是否受损，初步估计判断环境污染物是否对大脑结构是否具有影响；

17、d)检测脑类器官生长过程中重要组细胞以神经以及胶质细胞的marker来定位特定细胞群是否具有损伤，以判断环境污染物是否对大脑发育是否具有潜在影响；

18、e)高通量测序以探究损伤机制，例如通过使用转录组测序技术鉴定差异表达的基因，以及这些基因在特定通路中的富集，为理解损伤的潜在机制提供了一个起点。进一步检查这些关键基因可能会发现的潜在位点，进一步研发应用相应潜在靶点的激动剂和抑制剂，以逆转环境污染物的病理调节。

19、有益效果：

20、本发明发现，本发明构建的脑类器官模型比动物模型更适合研究环境污染物对胚胎脑发育的影响。大脑类器官模型与大脑皮层发育中的细胞簇非常相似，大脑皮层被认为在进化人类皮层的大小和复杂性方面发挥着关键作用。与啮齿动物模型不同，人类胚胎大脑皮层在外脑室下区(osvz)中包含大量专门的外放射状神经胶质细胞(orgc)。在大脑类器官中，可以复制人类大脑发育的这一关键特征。脑类器官再现了六个皮质层中神经元标记表达的发育过程，其表现出类似于人类皮质的发育轨迹。与传统研究方法相比，这一疾病的模型帮助研究人员更好地了解环境毒素对人类健康的影响，并通过这一研究结果可以制定相应的诊疗方法。

21、本发明利用脑类器官模型模拟人类胚胎时期接触环境暴露物的新范式，具有多项优势。采用脑类器官暴露研究的最新技术包括脑类器官的培养成熟、选择暴露物添加进行模拟暴露(高通量)、使用先进的成像技术表征、高通量测序筛选方法。这一种脑类器官模拟环境暴露的新范式具有更准确和更具预测性；其成本更低，对动物试验的需求也更少；可以大量生长并使用高通量方法进行筛选，使研究人员能够快速有效地测试多种环境毒素对类器官行为的影响等优点。总之，基于脑类器官的暴露模型是研究环境毒素对人体组织和器官影响的最先进方法。与传统方法相比，它具有多项优势，包括更高的准确性和可预测性、更低的成本、高通量筛选和个性化医疗方法。

22、1.研究效果方面：

23、1)更准确和更具预测性：脑类器官模型是一种三维结构，非常适合模仿胚胎时期人类大脑的结构和功能，脑类器官模型的细胞群结构和整体功能比啮齿动物更加贴合人类大脑。模拟类器官暴露于环境毒素可以提供比传统二维细胞培养更准确和预测这些毒素对人体组织和器官影响的模型。

24、2)高通量筛选：类器官可以大量生长并使用高通量方法进行筛选，使研究人员能够快速有效地测试多种环境毒素对类器官行为的影响。

25、3)个性化医疗：类器官可以来源于患者特异性干细胞，允许个性化医疗方法研究环境毒素对人体组织和器官的影响。

26、4)提高重现性：基于类器官的检测可以通过控制环境因素和批次以提高重现性，传统毒理学测试方法可能受到动物个体间差异等因素的影响。

27、5)提高对疾病机制的理解：类器官可用于研究环境毒素对疾病发生和发展的影响。通过将类器官暴露于环境毒素，研究人员可以通过过基因测序等方式深入了解疾病发展的潜在机制，并确定治疗干预的潜在目标。

28、6)开发新疗法：类器官可用于测试新药和治疗环境相关疾病的疗效和安全性。通过使用类器官筛选潜在的候选药物，研究人员可以确定最有希望的治疗方法以进行进一步的测试和开发。

29、2.成本降低方面：

30、1)对动物试验的需求更少：基于类器官的检测方法可以比用于研究环境毒素影响的传统动物模型更便宜。这也可以减少动物试验的需要，这是一个主要的伦理问题。

31、2)减少时间和资源：模拟类器官接触材料可以显着减少毒理学测试所需的时间和资源。传统的毒理学测试方法既费时又昂贵，而基于类器官的检测可以快速有效地筛查环境毒素。

32、3.伦理方面：

33、1)对研究人员更安全：研究环境毒素对人体组织和器官影响的传统方法可能对研究人员有害。类器官在体外生长，降低了接触有毒物质的风险。

34、2)减少甚至可以替代动物实验，减少动物试验的需要。

35、3)脑类器官可以模拟大脑在胚胎发育的过程，检测环境暴露物干预后大脑发育的影响，研究其机制，这是无法在真实的实验中进行的。

36、总的来说，模拟脑类器官环境暴露物的接触是研究环境毒素对人类健康影响的一种很有前途的方法。与传统的毒理学测试方法相比，这项技术具有多项优势，并有可能提高我们对环境相关疾病的认识，有助于制定预防和治疗这些疾病的新策略。