原创视网膜模型比较概念图,以同背景对照、OPTN 变异和雷帕霉素三组及 LC3、凋亡两个指标表示评价设计
视网膜类器官的同背景比较与雷帕霉素干预概念图,突出 LC3 和凋亡相关检测。(图:J&E Bio)(J&E Bio)

两对同基因背景模型用于辨别 OPTN 变异影响

青光眼中的视网膜神经节细胞(retinal ganglion cells,RGC)会逐渐退化。美国印第安纳大学(Indiana University)等团队在 Stem Cell Reports 以人多能干细胞建立视网膜类器官,观察 OPTN(E50K)变异引起的细胞变化,并测试自噬相关药物干预。

模型包括患者来源诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)及相应的变异校正细胞,也包括 H7 人胚胎干细胞与带 E50K 变异的 H7 细胞。两对同基因背景对照帮助研究者比较变异效应,降低不同细胞系背景对结果的影响。

团队保留部分三维类器官观察组织内变化,也从类器官中分离神经节细胞,培养后检查神经突与电生理。三维组织和分离细胞分别用于组织层次与单细胞功能评价。

早期分化相近,较长期培养后出现退化表型

变异组和对照组早期都能形成视杯样类器官。第 30 天的 PAX6、CHX10 表达以及第 60 天的神经节细胞、光感受器分布未显示明显差异;分离后培养 1—3 周的神经节细胞在形态上也相近。

到分离后第 4 周,变异神经节细胞的神经突更短、分支更少,细胞体面积也较小。这项形态比较来自 4 次独立分化,各次使用上述 4 条细胞系,显示异常在较长期培养后才逐渐显现。

BRN3B、ISL1 等神经节细胞转录因子的表达比例下降,但 MAP2 阳性细胞的总体比例未显著变化。团队把这些指标并列分析,以区分细胞仍在而特定标志下降的情况。视网膜前体与光感受器标志没有同样的减少。

这也影响后续检测的细胞选择。作者指出,病变较晚阶段的细胞可能降低 BRN3 相关报告信号;只按这一信号筛选,可能更容易记录到退化程度较轻的细胞。

分离神经节细胞的兴奋性发生改变

膜片钳测量显示,变异组与对照组都可产生离子电流和动作电位,静息膜电位没有显著差异。不过,变异组细胞电容更低、输入电阻更高,触发动作电位所需的电流阈值也更低。

在电流刺激下,变异神经节细胞产生更多动作电位。这部分记录来自 2 次分化的 H7 和 H7(E50K)模型,分别包含 28 和 46 个技术记录,与四细胞系的组织染色重复分开。作者将较高兴奋性视为可能参与早期退化的因素。

转录分析进一步发现与蛋白清除、自噬及神经突生长有关的表达变化。研究随后转向三维类器官,检查这些线索是否对应组织内的 LC3 积聚与细胞凋亡相关变化。

雷帕霉素降低类器官内层的 LC3 积聚与 caspase-3

在分化约 2.5 个月的类器官中,OPTN(E50K)组的 LC3 明显积聚于神经节细胞所在内层。图像定量分别检查 LC3 斑点的数量、大小和总面积;变异组这三项指标均高于同基因背景对照。

团队用 2 μM 雷帕霉素处理 24 小时,随后进行免疫染色。药物处理后,内层 LC3 积聚显著减少,活化 caspase-3 也降低。该比较来自 3 次独立分化,每次包括 4 条细胞系,测量对象是组织中自噬和凋亡相关标志。

未处理的变异类器官中,BRN3 阳性神经节细胞更少,而 OTX2 标记的光感受器数量没有显著差异。内层与外层的比较表明,这些异常更集中于神经节细胞所在区域。

作者据雷帕霉素结果提出,自噬异常与该变异引起的凋亡变化存在联系。这项人源模型工作给出了可检测的组织表型和药物反应,使后续候选干预可以围绕 LC3 积聚、凋亡标志及神经元功能分别设计评价。

来源与延伸阅读

  1. Retinal Ganglion Cells with a Glaucoma OPTN(E50K) Mutation Exhibit Neurodegenerative Phenotypes when Derived from Three-Dimensional Retinal Organoids. Stem Cell Reports. 2020. doi:10.1016/j.stemcr.2020.05.009 ↗