图注：双标记嵌合体分析（MADM）类器官。小鼠皮质类器官荧光成像图，MADM标记细胞（绿、红、黄）清晰可见，蓝色为DAPI核染色，该时间点MADM标记细胞多为神经元与前体细胞。[Stouffer等 / 《自然》]
大脑皮质负责高级认知过程、运动控制与感觉输入处理，由多种神经元与胶质细胞构成。放射状胶质前体细胞（radial glial progenitors, RGP）可产生发育中大脑皮质的所有兴奋性神经元。目前，研究人员首次揭示了RGP谱系进展的定量框架。奥地利科学技术研究所（ISTA）的研究团队在自组装皮质类器官系统的小鼠胚胎干细胞中，建立了基于双标记嵌合体分析（mosaic analysis with double markers, MADM）的体内谱系示踪技术。与真实小鼠大脑对比后，该研究明确了发育过程的关键时间窗口。
该研究成果发表于《自然》（Nature），论文题为《皮质类器官中放射状胶质细胞谱系进展的时间解偶联》。
ISTA教授Simon Hippenmeyer博士解释道：“我们实验室致力于研究大脑如何从干细胞发育而来，包括大脑如何达到适宜体积、干细胞如何知晓发育为神经元的时机与类型，以及发育或疾病过程中出现异常时的后果——例如大脑体积异常偏小或偏大的小头畸形、大头畸形。”
图注：培养13天的两个小鼠皮质类器官。皮质花环是类器官中与发育中大脑特征相似的结构，表现为类器官外缘的团块状突起。[Stouffer等 / 《自然》]
研究人员将小鼠大脑的特定发育阶段与类器官的发育阶段进行比对，采用单细胞测序技术检测两种系统中的细胞类型、相对丰度，以及细胞出现或消失的时间节点。
Hippenmeyer解释道：“在我们检测的发育阶段中，类器官与小鼠大脑的细胞群体高度相似，二者的分子程序也具有一致性。”
他补充道：“现在我们有了这套严谨的类器官系统，就可以更深入地研究皮质结构发育过程中干细胞的变化，并将这些过程直接与体内模型（小鼠）进行对比。”
研究团队利用MADM技术（一种可追踪器官发生过程中干细胞分裂的独特遗传学方法），在单个前体细胞水平绘制了清晰的小鼠大脑发育路线图。
研究团队发现：“与体内观察到的严格时间固定谱系进展不同，类器官中RGP的增殖潜能具有极高可塑性。”此外，尽管RGP的单细胞转录组特征一致、谱系轨迹统一，类器官中的RGP仍表现出“谱系限制性增强，皮质投射神经元克隆的细胞类型多样性降低”的特征。
研究人员推测类器官缺少某些外界信号：培养皿中的微结构通过自组装形成，由于为体外实验室培养，缺少活体生物体内存在的多种外界调控因素。
图注：开展本研究的ISTA Hippenmeyer团队研究人员，左至右：Simon Hippenmeyer、Osvaldo Miranda Romero、Fabrizia Pipicelli、Carmen Streicher。[ISTA]
Hippenmeyer表示：“这一过程在我们的类器官中似乎无法完全正常运行，仅靠自组装的物理作用力显然不足，类器官缺少体内系统中存在的因素，即所谓的干细胞微环境（niche）。”
干细胞微环境是干细胞存活并接受调控的特定微环境，组成包括邻近细胞、血管、信号分子、生长因子以及机械信号等。
研究人员在论文中写道：“自组装系统中缺失的关键非细胞自主信号和/或真实干细胞微环境，是实现RGP谱系进展的精准时间调控、产生克隆水平皮质细胞类型多样性的必要条件。”
本研究提供了一套从小鼠细胞制备皮质类器官的稳定实验方案，同时明确了对干细胞微环境变化或缺失敏感的发育过程。
这些发现对类器官研究具有重要意义：它们揭示了类器官与小鼠大脑中特定发育过程的相似程度，以及基于现有认知，大脑发育特定环节可在类器官中开展可靠研究的适用范围。
专业注释
- 双标记嵌合体分析（MADM）：可实现单细胞谱系荧光标记的遗传学技术
- 干细胞微环境：调控干细胞增殖、分化与存活的局部微环境