先检查细胞系能否形成稳定的多层视网膜

视网膜类器官用于疾病与药物研究时,研究者需要知道它包含哪些细胞,以及这些细胞在什么阶段接近成人视网膜。来自瑞士、匈牙利和美国多家机构的团队在 Cell 发表研究,用单细胞转录组和功能检测比较人视网膜类器官与成人视网膜。

研究筛查 23 条诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)系,其中 8 条形成了维持超过 100 天的分层结构,4 条可辨认出 3 个核层和 2 个突触层。后续详细分析主要使用 F49B7 细胞系,部分实验在 IMR90.4 复核。

团队还采用琼脂糖微孔控制起始胚状体大小,并改进组织分离方式。组合方法在 3 次实验中,每个六孔板培养孔可生成约 3,700±680 个类器官。这项数量结果为扩大模型供给提供依据,能否形成合适的细胞组成仍需另外检查。

30–38 周的表达趋稳,继续培养出现部分损失

类器官测序覆盖 7 个时间点,总计获得 110,862 个细胞的转录信息。其中 F49B7 在 6–38 周的主要分析包含 62,136 个细胞,显示神经节细胞、光感受器前体、水平细胞、无长突细胞、双极细胞及 Müller 胶质细胞相继出现。

同批同龄类器官的表达分布较为接近,相邻年龄之间的差异随培养推进而减小,在 30–38 周达到最低附近。团队用 Jensen–Shannon 差异度量化分布差别:0 代表完全重合,1 代表不重合,30 周与 38 周之间为 0.093。作者据此把这一阶段称为已发育的类器官。基于人发育视网膜训练的年龄模型,也显示类器官的转录发育速度与人视网膜大体相近。

进一步培养到 46 周后,类器官并未持续增加成熟细胞的多样性。双极细胞、水平/无长突细胞及视锥比例下降,视杆比例增加;部分细胞标志表达也降低。神经节细胞本来在 12–18 周较多,到 24 周后已较少。

这些变化意味着,选择取样时间需要结合拟研究的细胞类型。以较晚培养时间代表更好的模型,可能漏掉特定细胞已经减少的情况;本研究为这种选择提供了细胞组成和表达两方面的信息。

人视网膜类器官的单细胞分布、培养阶段比较及发育年龄分析。

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人视网膜类器官的单细胞分布、培养阶段比较及发育年龄分析。(Cameron S. Cowan et al. / Cell, 2020, Figure 3;CC BY 4.0)

成人参照显示:类器官更接近周边视网膜

成人视网膜参照来自 4 位供者的 8 只眼,供者年龄为 50–80 岁。研究取得了周边、中央凹、色素上皮及脉络膜相关的 174,579 个单细胞转录信息;这些细胞数与供者人数分别计数。

以成人细胞训练的分类器显示,发育后类器官的表达和细胞组成更接近周边视网膜。按每类细胞的标志基因比较,大多数类型中可找到落入成人周边参照分布的类器官细胞,但整体分布并不完全相同。聚类分析在发育后的类器官中识别出 40 种转录类型,其中 32 种也见于成人视网膜;免疫、血管相关和脉络膜细胞未在这些类器官中检出。

部分成熟相关表达仍明显偏低。例如类器官视杆细胞的 RHO 平均表达约为成人周边视网膜对应细胞的 10%,色素上皮 RPE65 约为 2%。因此,细胞类型能够识别,与该类型的全部表达达到成人水平,需要分别判断。

参照材料自身也需要质量控制。研究对同一供者的 2 只眼进行时间比较,发现多类视网膜细胞的表达在死后数小时内改变。选择成人参照时,取材后的缺血和保存条件会影响类器官与组织之间的差距。

细胞身份参照帮助确定后续干预的观察对象

研究把视网膜疾病相关基因映射到具体细胞类型,发现多数疾病的细胞类型特异表达,在类器官与成人周边视网膜之间大体保留;但这些基因在类器官内开始或停止表达的时间不同。后续疾病或干预实验需要同时考虑细胞身份和培养阶段。

功能检查中,4 个类器官内接受检测的 233 个外层细胞有 16.7% 呈可重复光响应,234 个内层细胞中这一比例为 12.0%。阻断谷氨酸能突触传递后,内层细胞的响应降至背景水平,外层响应仍保留,支持内层反应来自光感受器输入。这些功能结果与转录图谱互相补充。

作者提出,较大批量且有可重复细胞特征的类器官,可用于筛查不同分子对特定细胞的影响。本研究首先建立的是模型与参照体系,其药物研究价值在于帮助选定需要被模型保留的细胞和特征。

来源与延伸阅读

  1. Cell Types of the Human Retina and Its Organoids at Single-Cell Resolution. Cell. 2020. doi:10.1016/j.cell.2020.08.013 ↗