时间：2024-02-05 18:03:40
小脑是第二大大脑区域，在功能上致力于运动协调、记忆和认知。 小脑不仅是一个复杂的脑回，也是大脑中形态最复杂、最丰富的细胞类型之一：浦肯野细胞的所在地。 这些高度特化的抑制性神经元沿着小脑叶排列，通常有 500 多个树突分支。 这些复杂的细胞和组织水平结构在发育过程中如何出现是一个活跃的研究领域。 直到最近，小脑还被认为是哺乳动物进化过程中相对保守的结构。 然而，祖细胞类型和组织的物种差异的证据强调需要更忠实地再现人类小脑发育的模型。 这些改进的人体模型可能使研究与小脑相关的遗传和环境疾病的生物学基础成为可能。 在最新一期的《细胞干细胞》中，Atamian 等人的论文解决了这一空白，优化并利用了一种方案来生成具有人类发育小脑中存在的细胞类型多样性的人类小脑类器官。 。
Atamian, A.、Birtele, M.、Hosseini, N.、Nguyen,T.、Seth, A.、Del Dosso, A.、Paul, S.、Tedeschi,N.、Taylor, R.、Coba, M. ，等人。 （2024）。 具有功能性浦肯野细胞的人类小脑类器官。 细胞干细胞 31, 39–51。
小脑是第二大大脑区域，在功能上致力于运动协调、记忆和认知。 小脑不仅是一个复杂的脑回，也是大脑中形态最复杂、最丰富的细胞类型之一：浦肯野细胞的所在地。 这些高度特化的抑制性神经元沿着小脑叶排列，通常有 500 多个树突分支。 这些复杂的细胞和组织水平结构在发育过程中如何出现是一个活跃的研究领域。 直到最近，小脑还被认为是哺乳动物进化过程中相对保守的结构。 然而，祖细胞类型和组织的物种差异的证据强调需要更忠实地再现人类小脑发育的模型。 这些改进的人体模型可能使研究与小脑相关的遗传和环境疾病的生物学基础成为可能。 在最新一期的《细胞干细胞》中，Atamian 等人的论文解决了这一空白，优化并利用了一种方案来生成具有人类发育小脑中存在的细胞类型多样性的人类小脑类器官。 。
近年来，人类诱导多能干细胞（iPSC）衍生的类器官已成为发育生物学和药物发现研究不可或缺的一部分。 4,5 类器官是小型 3D 细胞组件，概括了组织模式、细胞异质性和发育成熟的某些方面。 在类器官分化过程中，小分子和模式因子被用来引导细胞走向特定的命运。 这些鸡尾酒通常受到指导目标区域发展的形态发生梯度的时间序列的启发。 先前已经从人类胚胎干细胞中产生了再现小脑发育早期阶段的类器官。 6 然而，这项研究并未评估存在的细胞的全部多样性、方案对其他细胞系的稳健性或其几周后的成熟度。
在本文中，Atamian 等人1描述了一种生成小脑发育类器官模型的协议，然后使用单细胞转录组学和长期培养后神经元活动的功能读数来表征所得类器官。 重要的是，该方案从人类 iPSC 或胚胎干细胞开始，在测试的细胞系中都很稳健，证明了在各种基因组背景和干细胞类型中的一定耐久性。 该类器官方案的特点是抑制 TGFB、BMP 和 Wnt，并添加 FGF8b 以诱导神经外胚层命运。 后来，甲状腺激素的添加进一步导致组织向后脑发育，BDNF 的添加支持神经元成熟（图 1）。 分化后 2 个月，将类器官的 erceell RNA 测序与来自原代人小脑的阶段匹配数据进行整合显示，心室区 (VZ) 和菱形唇 (RL) 祖细胞类型及其后代与顶板、脑膜和脉络膜相关。丛细胞类型一起重新出现。 类器官中还鉴定出了成熟的小脑细胞类型（例如伯格曼胶质细胞）、抑制性神经元（包括浦肯野细胞）以及兴奋性神经元（包括颗粒细胞和单极刷细胞）。 在人类而非小鼠中，RL 祖细胞可以根据转录组和形态学数据细分为 RLVZ 和 RL 室下区 (RLSVZ) 祖细胞。 3 两种祖细胞类别均可在类器官中检测到，这一事实凸显了该人类模型的重要性和实用性，以及与小鼠模型相比的主要差异。
在进一步优化类器官方案时，在培养物中添加 SDF 1a（也称为 CXCL12）有助于在空间上分离祖细胞与成熟细胞，使类器官的组织更像活组织。 SDF 1a 是一种化学引诱剂，通常从小脑膜释放，以引导小脑发育过程中新生细胞的迁移。 事实上，作者在 SDF 1a 处理的小脑类器官中发现了与外部颗粒层 (EGL) 和浦肯野细胞层 (PCL) 相似的类器官区域，而未经处理的类器官中的组织结构较少。 尽管如此，这些类器官并不像小脑那样折叠，而且这种组织组织在 6 个月的时间点上并不持久，这凸显了进一步优化的有趣途径。
在对小脑类器官模型进行转录组表征后，作者转向神经元功能的读数。 他们检查了分化后 2 个月和 6 个月出现的神经元是否具有电活性。 事实上，通过测量单细胞钙信号，他们确定兴奋性和抑制性神经元都是活跃的，在更成熟的时间点显示出更高水平的协调活动。 然后，研究人员将注意力集中在浦肯野神经元上，并试图调节它们的活动。 作者使用细胞类型特异性启动子驱动抑制性视蛋白的表达，在个体发育上沉默了浦肯野神经元样细胞，从而导致类器官中钙活性的预期增加。 最后，使用形态学、免疫组织化学和膜片钳记录的多模态分析表明，6 个月时间点的浦肯野神经元样细胞与妊娠中期晚期的浦肯野神经元相似。 这种在体外获得浦肯野神经元样细胞的全人类系统将使研究这种高度复杂的细胞类型的成熟和功能成为可能，否则这在人类中基本上是无法研究的。 通过单细胞转录组学在小脑类器官中检测到的许多其他细胞类型在生理和形态上仍然保持稳健，突出了未来研究的重要方向。
本文提出的优化的小脑类器官模型为探索小脑疾病的机制提供了可能。 例如，新兴研究表明，儿科髓母细胞瘤亚型源自不同的 RL 祖细胞类型。 8,9 由于小鼠中不存在这种祖细胞多样性，因此人小脑类器官可能提供一种实验策略来检验胚胎祖细胞作为髓母细胞瘤起源细胞的假设。 此外，将小脑神经元生理学研究与 iPSC 的可操作性提供的现代遗传工具相结合，无疑将有助于许多小脑相关疾病的机制研究，例如发育不良、发育不全和共济失调。 最后，现在可以将小脑类器官添加到工具箱中以生成神经元样细胞，从而可以分析不同大脑区域之间的连接。 这些和其他未来的方向现在成为可能，这要归功于强大的协议，这些协议利用干细胞的力量来生成包含本工作中详细介绍的多种功能细胞类型的小脑类器官。