威斯康星大学麦迪逊分校 Bascom Hall 与前方台阶
威斯康星大学麦迪逊分校 Bascom Hall,2023 年(Chris Rycroft from Madison, Wisconsin, United States / Wikimedia Commons;CC BY 2.0)

培养数量与独立样本数量分开

2024 年 5 月 16 日,Stem Cell Reports 在线发表人脑类器官研究重复性综述,6 月 11 日为期次日期。威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)等机构的作者讨论不同测量方法,并提出研究设计与记录建议。

作者建议分别报告细胞系和克隆数、独立分化批次、每批类器官数量,以及每个类器官的取样切片数,并用统计效能分析确定样本规模。

起始干细胞的多能性、遗传稳定性与培养质量会影响后续组织特征。作者建议把同一克隆、同一分化批次内的重复,与不同细胞系之间的生物学重复分开,同时保留分化批次这一层的信息,以便区分遗传背景和培养过程带来的变化。

形态、分子特征与切片来源

综述建议结合多个细胞标志物描述细胞类型和组织层次。某些标志物在不同细胞中共同表达,单项染色的特异性有限。

组织评价应覆盖同一类器官的多个切片,记录切片的来源与取样方式。作者还提出,切片之间应保持足够间隔,避免重复计数同一个细胞。

完整组织的光学透明化可减少切片取样造成的信息损失,但处理后组织可能膨胀或收缩。图像拼接处还可能重复出现同一细胞核。无论采用切片还是三维重建,都应说明如何分割细胞、如何处理坏死区域,以及这些选择是否改变细胞比例的估计。

转录组需要结合细胞组成与参考组织

单细胞转录组能够区分细胞类型与发育状态,比较类器官和人脑参考组织的相似性。但测序深度不足时,低表达基因和稀有细胞群可能遗漏;细胞注释还会受到参考数据选择和数据整合方式的影响。

作者建议结合染色质可及性等其他分子层面的资料,并用空间信息核对细胞在组织中的位置。比较不同批次或不同实验室的数据时,应检查批次效应,同时说明是否过滤了应激细胞。去除这些细胞会改变最终用于比较的细胞组成。

代谢状态影响模型之间的可比性

类器官内外的氧和营养供应不同,坏死区域释放的物质也会改变局部环境。细胞类型、分化阶段和培养液成分共同影响糖酵解与氧化磷酸化的平衡,因此相近的外形或细胞标志物并不能完整描述模型状态。

综述介绍了代谢物成像、氧消耗和酸化测量以及代谢组学等互补方法。葡萄糖利用、乳酸生成和脂质分布可从不同角度描述细胞活动;解释转录组中的代谢通路时,还需要结合实际代谢测量,因为酶的转录量与反应速率之间存在多层调控。

电活动评价需要互补的测量方法

微电极阵列(microelectrode array,MEA)记录细胞外电活动。常见平面阵列主要接触类器官表面或向外迁移的细胞,三维内部网络的覆盖有限。

作者建议结合放电波形分类,区分单个神经元放电频率改变与多个神经元共同贡献的信号,再用钙成像或膜片钳补充验证。

膜片钳可直接测量单细胞电活动,但完整类器官中的记录多集中在可接近的表层。切片能够暴露内部细胞,也可能切断原有连接;解离后则更难保留网络关系。因此取样方式需要与所要回答的单细胞或网络问题匹配。

钙成像可同时观察多个细胞,适合比较网络活动的空间与时间变化;其时间分辨率受指示剂响应速度限制,快速连续放电可能难以逐次区分。MEA 的电极密度则影响可区分的空间范围,同时需要在分辨率和样本通量之间取舍。

可追溯记录让结果更容易比较

综述建议公开原始数据、分析代码、软件包和处理方法,同时记录样本纳入与排除标准。图像和电生理分析中的筛选、滤波及统计步骤,也应能够追溯。

作者提出,先围绕研究问题确定哪些结构、分子和功能特征必须达到要求,再选择互补方法评价。共享细胞来源、培养历史、批次信息及分析流程,有助于其他团队解释差异,也便于判断某项结果能否在新的样本中重现。

来源与延伸阅读

  1. Sandoval SO, Cappuccio G, Kruth K, et al. Rigor and reproducibility in human brain organoid research: Where we are and where we need to go. Stem Cell Reports. Published 2024-05-16. doi:10.1016/j.stemcr.2024.04.008. ↗

相关报道与知识