Cell子刊丨如何保证类器官的均质性？科学家发现干细胞未成熟状态起重要作用！

撰稿 | 前进莱顿大学博士生

排版 | AiBrain 编辑团队

类器官的相关研究近年来发展迅速，为无法在人体/人脑进行的神经发育研究、疾病和治疗策略的探索方面开辟了一条新途径。然而，并非所有的微型类脑器官都能够保证均质性，要让它们精确模拟相应的人类脑组织一直是一个挑战。

加州大学洛杉矶分校再生医学与干细胞研究中心Bennett Novitch教授形容道：“现在，类脑器官的研究就像是一个荒凉的西部，因为没有标准的方法来生成大脑类器官。”

事实上，由于没有共同的protocol，也没有质量控制指南，类器官可能因实验室而异，甚至因批次而异，这意味着在一种类器官中的发现在另一种中可能不成立。“每个神经科学家都想为他们最喜欢的疾病制作一个大脑器官模型，但每个人的器官并不总是相似的。”

经常发生的情况是，两个实验室如果使用同一疾病的大脑类器官模型进行药物筛选，仍然可以得到不同的结果，然而无法确定所看到的差异是来自模型的差异，还是疾病的反映。

在研究精神分裂症和自闭症谱系障碍等疾病中，拥有精确且一致地重构大脑特定部分结构和细胞组成的类器官尤其重要。在这些疾病中，患者大脑在结构上通常没有显著变化，但在功能上却表现出显著差异。

近日，Bennett G. Novitch团队提出阻碍这些类器官充分发挥潜力的两大障碍为：结构和细胞类型的均质性。

该团队表示，如果类器官细胞类型失衡或结构极不规则，那么就无法识别大脑结构和功能的细微差异。由此他们在文章中提出了指导方针，希望以此克服不均质性和结构的差异（differences in uniformity and structure）对研究带来的影响。

相关结果以TGFβ superfamily signaling regulates the state of human stem cell pluripotency and capacity to create well-structured telencephalic organoids为题，发表于Stem Cell Reports。

成熟度是关键

为了制造直径在1至5毫米之间的微型脑器官，研究人员首先提取人体皮肤或血细胞，并对其进行重编程，使其成为诱导的多功能干细胞（iPS），即可以分化为体内任何类型细胞的细胞。然后，他们引导这些iPS细胞产生神经干细胞，神经干细胞可以产生大脑中发现的大多数细胞类型，随后即可被诱导聚集成3D类器官。

但为什么某些类器官比其他器官更像人脑呢？

为了回答这个问题，该团队与加州大学洛杉矶分校Broad干细胞研究中心的Kathrin Plath和Amander Clark合作。他们发现，生长为类器官的干细胞的发育成熟度会影响其质量，就像食材的新鲜度会影响烹饪菜肴的质量一样。

“在人类胚胎发育过程中，神经系统是最早形成的结构之一，因此，早期发育的干细胞最擅长生成大脑器官”。

带有神经干细胞（红色）和皮质神经元（绿色）的微型大脑器官切片

研究人员随后发现，保持人类干细胞处于适合器官形成的早期发育状态的最佳方法是将其培养在含有小鼠皮肤细胞的培养皿中，称为成纤维细胞饲养器，因为这些细胞能够提供基本的化学信号和结构支持，有助于干细胞随着时间的推移不断扩展，并保持其不成熟状态。

该团队接下来使用RNA-seq和计算分析，试图查明产生质量较高类器官的干细胞与不产生类器官的细胞之间的遗传差异。由此他们能够识别出四种分子，它们都属于转化生长因子TGFβ超家族分子（BMP4、TGFβ1、TGFβ3 and ACTIVIN A），正是这四种分子负责调节细胞生长和分化，保持干细胞处于未成熟的状态。