隨著類器官技術的進步，腦類器官在研究人類大腦發育、腦疾病建模和開發新藥方面顯示出巨大的潛力，腦類器官對於研究和模擬人類神經系統疾病至關重要。然而，腦類器官的培養周期長，成本高，極大限製了它們在生物醫學研究中的應用。攜帶病理特征的新鮮人腦組織是研究神經系統疾病更為可靠的模型。目前，具有特定病理特征的腦組織可獲取性，可操控性以及低溫保存神經活性都面臨很多技術難題。冷凍保存技術已在胚胎幹細胞、配子、胚胎、膠質母細胞瘤類器官、子宮內膜器官等方面廣泛應用，極大助力再生醫學的發展。腦類器官/腦組織是由多種神經細胞構成的復雜結構，具有神經功能網絡活動，二維細胞和非神經類器官的冷凍方法不適用於神經類器官和人腦組織。因此，開發腦類器官/腦組織的低溫保存方法，對推動腦科學基礎和臨床轉化研究具有重要意義。
2024年5月13日，MK体育平台腦科學轉化研究院邵誌成研究員團隊在Cell Reports Methods雜誌在線發表了題為“Effective cryopreservation of human brain tissue and neural organoids”的研究論文，報道了一種被稱為MEDY的全新腦類器官冷凍保存新技術，該技術在冷凍過程中能夠保留腦類器官的復雜結構和功能活性，保留人腦組織的病理特征。MEDY將能夠大規模、可靠地存儲各種神經類器官和腦組織，促進多種神經類器官在基礎研究、臨床應用和藥物篩選中的廣泛應用（圖1），有望將來對實現完整人腦的冷凍保存起到一定的推動作用。
圖1：MEDY冷凍復蘇技術的建立及其應用
研究團隊首先選擇了多種在維持類器官形態完整性、減少神經元死亡和保護軸突生長過程中起作用的試劑，包括甲基纖維素（Methylcellulose）、乙二醇（Ethylene glycol）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、海藻糖（Trehalose）、葡萄糖（Glucose）、蔗糖（Sucrose）和脯氨酸（Proline）等，通過不同濃度梯度，初步篩選出對類器官有一定保護作用的試劑甲基纖維素、乙二醇和PVP作為低溫保存介質組分的候選試劑。為了進一步提高冷凍保存的效率，研究團隊測試了不同冷凍保存介質組合並添加ROCK抑製劑Y27632後對類器官的凍存保護效果進行檢測，結果表明4種組合冷凍劑都極顯著地解決了類器官復蘇後出現大量碎片的問題。通過對復蘇後類器官軸突生長狀態、神經元生長狀態以及凋亡比例的對比分析，最終確定了1%甲基纖維素 + 10%乙二醇 + 10% DMSO + 10 μM Y27632 （MEDY）作為腦類器官的最佳冷凍保存劑 （圖2）。
圖2：不同冷凍保存介質對復蘇後腦類器官的影響
進一步，研究團隊通過改進復溫流程，以及復蘇後ROCK抑製劑預處理步驟，最終建立了腦類器官凍存復蘇新方法。改進方法復蘇後的神經類器官保留了細胞多樣性、細胞組織結構以及神經元功能活性（圖3）。
圖3：MEDY保留腦類器官的細胞多樣性、功能結構以及功能活性
進而，研究團隊將長期培養的大尺度腦類器官進行MEDY冷凍復蘇，發現其對成熟的類器官依然起到冷凍保護作用。此外，該MEDY技術可以更廣泛地應用於多種腦區域特異性類器官，包括背/腹側腦、脊髓、視神經類器官和癲癇患者源性腦類器官。同時，MEDY可用於3D人腦組織的低溫保存，解凍後仍可保留其病理特征。最後，研究團隊通過轉錄組學分析發現，MEDY通過抑製內質網介導的細胞凋亡途徑從而保護突觸功能，實現在低溫狀態下對腦類器官的保護作用。
綜上所述，該研究有望在將來顯著減少了神經類器官的製備時間和成本，並能維持活體人腦組織的病理特征，便於各種神經類器官和活體腦組織的大規模存儲，促進腦科學基礎研究、神經類器官移植治療和藥物評估與篩選。
本研究第一作者為MK体育平台腦科學轉化研究院邵誌成課題組青年副研究員薛偉偉，通訊作者為邵誌成研究員和薛偉偉青年副研究員。該研究同時得到本課題組李慧娟、許錦洪、虞簫、劉琳琳、劉慧慧以及MK体育平台附屬兒科醫院趙瑞教授的幫助。該研究得到國家自然科學基金、上海市自然科學基金、上海市科委啟明星培育（揚帆專項）、教育部腦科學前沿研究中心基金和MK体育平台啟動基金的資助。
