Stanford Medicine Center for Clinical Sciences Research
Stanford Medicine Center for Clinical Sciences Research(Suiren2022 / Wikimedia Commons;CC BY-SA 4.0)

从神经细胞到区域化组织

Cell 的综述 Human brain organogenesis: Toward a cellular understanding of development and disease,关注人脑发育中的细胞类型、空间组织和功能关系。文章于 2021 年首次在线发表,讨论人源体外模型能够呈现哪些发育过程,以及这些过程怎样帮助解释神经精神疾病。

二维神经细胞体系便于比较细胞功能及开展较大规模药理研究,但难以完整呈现细胞与基质、细胞与细胞之间的空间关系。脑类器官利用三维组织增加这些信息,能够研究细胞极性、祖细胞增殖和较晚出现的胶质成分。

作者比较了非定向和定向分化形成的三维模型。前者可出现多个脑区样成分,细胞类型较多,但不同批次的组成差异也较大;后者侧重特定脑区,组成通常更稳定。

皮层类器官的细胞组成与发育进程

皮层类器官可出现不同祖细胞及较深、较浅层的兴奋性神经元,之后逐步增加星形胶质细胞等成分。综述中的长期观察显示,一些细胞能够在转录和功能上向出生后状态发展,但不同细胞类型的时间进程并不相同。综述也介绍了少突胶质细胞成熟及人源轴突髓鞘形成的观察,使神经元之外的支持细胞功能能够纳入模型评价。

单细胞转录组有助于检查区域与细胞身份,前提是存在合适的参照组织。作者指出,较少的真实人脑发育资料可能影响细胞注释。

神经电活动也是逐步出现的。在综述所介绍的皮层材料中,早期很少观察到放电,较后阶段可出现动作电位活动及树突相关结构。

综述记载的皮层类器官观察最长达到 21 个月,一些长期材料呈现部分出生后分子特点,但复杂形态、突触可塑性和经验依赖的回路变化仍是作者提出的后续研究重点。

组装体用于研究跨区域作用

类器官组装体(assembloids)将不同区域模型或细胞谱系共同组织在三维体系中。组装体用于观察单一区域无法呈现的迁移和回路关系。

前脑组装体可重现抑制性中间神经元从腹侧迁移至背侧皮层样组织的过程。丘脑—皮层组装体形成了双向投射,皮层—纹状体组装体则形成由皮层指向纹状体的单向投射;组装后还观察到纹状体神经元成熟加快。

皮层—脊髓—肌肉的 3 部分模型进一步呈现神经元经过脊髓运动神经元影响肌肉收缩的回路。这里的功能终点包括区域间神经作用及肌肉反应。

这些模型仍缺少体内脑组织中明确的位置轴,难以形成同样有序的空间结构。作者提出进一步利用具有组织引导作用的结构,改善区域排列。

患者模型的迁移、兴奋性与回路表型

较早的发育异常模型已呈现组织大小与祖细胞行为的关系。米勒–迪克综合征(Miller–Dieker syndrome)患者来源前脑类器官体积较小,并出现祖细胞分裂异常;部分遗传性小头畸形模型同样显示类器官缩小及纤毛相关的祖细胞功能变化。

患者来源模型将遗传差异与实际细胞行为对应。综述中的 Timothy syndrome 案例关注 CACNA1C 相关背景,中间神经元的迁移动作更频繁,却不如对照有效。

22q11.2 缺失相关模型呈现神经元兴奋性升高和钙信号受损,部分机制与 DGCR8 相关。另一些患者材料中的神经细胞位置异常,则需要通过空间分布与迁移观察才能识别。

Phelan-McDermid syndrome 的皮层—纹状体组装体出现神经元钙活动同步性降低。值得注意的是,这个纹状体表型在与皮层共同组装后出现,未组装的纹状体类器官中没有同样表现。

遗传风险、供者比较与功能研究

遗传关联研究提示相关基因和风险变异。综述讨论用组织分子图谱定位可能相关的细胞与阶段,再通过患者来源二维或三维材料研究具体功能。

常见风险变异的效应往往较小,数量也较多,单一模型和无关供者对照可能难以解释。作者介绍遗传背景相近的比较,以及在同一实验中研究多个供者细胞的思路,用于区分目标变化与供者差异。

来源与延伸阅读

  1. Kelley and Pașca. Human brain organogenesis: Toward a cellular understanding of development and disease. Cell. 2021. DOI: 10.1016/j.cell.2021.10.003. ↗

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