
用 3 类样本检查类器官的发育状态
美国华盛顿大学(University of Washington)团队在 Cell Reports 报道,用单细胞 RNA 测序(single-cell RNA sequencing,scRNA-seq)比较视网膜类器官和发育中的人体视网膜。研究关注模型的细胞组成和结构是否与参照一致,以完善视网膜疾病研究所用模型。
比较包括直接分析的胎儿视网膜、人胚胎干细胞(human embryonic stem cells,hESC)来源类器官,以及胎儿视网膜形成的三维组织球(retinosphere)。类器官由 H1、H7-BRN3-tdTomato 和 H9-NRL-GFP 细胞系分化形成;三维组织球则直接起源于胎儿组织。
人体参照需要同时考虑日龄和所在区域
研究分析胎儿发育第 59、82 和 125 天的视网膜。较早阶段以祖细胞和神经节细胞为主,随后光感受器、双极细胞等比例增加。第 82 天中心区域与周边区域的组成已经不同,周边仍保留更多早期发育特征。
分析还识别出 3 类介于祖细胞和已分化细胞之间的过渡群,分别以 ATOH7、PRDM13、FABP7 等表达特征区分。两种拟时分析根据表达推断它们的发育顺序,作者同时指出,所推测的谱系仍需传统追踪实验验证。
早期细胞种类相近,比例和基因表达仍不完全相同
团队把培养第 45、60 天的类器官,与胎儿第 59 天样本共同分析。两者的主要细胞群大体重合,祖细胞标志 SOX2 和 LHX2 表达接近;类器官的祖细胞比例较高,神经节细胞比例较低,部分神经节细胞基因也存在差别。
类器官中同样可见 ATOH7 较高的早期过渡细胞,但 DLL3 没有像人体参照中那样在该群富集。这样的比较把细胞身份与细胞状态分开:同一类型已经出现,其表达特征仍可能与参照不同。
培养第 90、104 和 110 天的类器官,与胎儿第 82 天的中心及周边样本比较时,主要细胞类型仍相似。更晚的第 205 天类器官,与胎儿第 125 天样本在细胞组成上也有较多重合,双极细胞、视杆和穆勒胶质细胞均可识别。
细胞组成接近,内层排列却随培养改变
在多个比较阶段,部分细胞型特异基因仍有差异。例如神经节细胞相关的 NEFM,以及无长突细胞相关的 GAD1 和 TFAP2A,在人体参照中表达较高。同一类型的细胞,在类器官和人体视网膜中的表达特征仍可能不同。
组织染色显示,类器官约在第 70–90 天开始出现内层排列紊乱。至第 180 天,外侧光感受器所在核层仍较紧密,内层细胞却更多聚成团块,难以维持清楚层次。类器官中虽然仍可检出相应细胞,内层排列已经发生变化。
视网膜组织球在相近培养环境中保留更好的内层
为检验培养环境的影响,团队建立了来自约 40 份胎儿视网膜的组织球,起始日龄为第 45–135 天。它们在与类器官相近的培养条件下发育,所选样本的细胞组成,也与相应人体组织和类器官有较多重合。
组织球却保留了更清楚的内层结构。研究报告,培养 134 天后仍可见相应内层排列;来自预期中央凹和鼻侧区域的组织球,也保留了各自的区域特征。例如,中央凹来源的组织球缺少视杆细胞,而鼻侧来源的组织球可见视杆细胞标志。作者据此认为,仅靠培养环境,尚不足以解释类器官内层的全部缺陷。
组织球在缺少神经节细胞的情况下仍能维持较好内层,因此作者提出,神经节细胞丢失可能也无法单独解释类器官结构紊乱。血管相关细胞和小胶质细胞是否参与维持分层,则仍是需要进一步检验的可能因素。
单细胞分期应与组织结构一起判断
在计算分析中,研究先识别细胞群,并排除了表达前脑标志的群体,再从整合结果中按样本统计视网膜细胞组成。这样得到的比例描述了纳入分析的细胞,标志染色和组织切片则补充其所在位置与排列。
作者将这套图谱用于给视网膜类器官分期、寻找与人体发育之间的差异。人体视网膜中心与周边的发育梯度、细胞系和分化方案,都会影响具体对照;培养日数并不能直接转换为统一的人体发育日龄。
研究数据列于公共基因表达数据库(Gene Expression Omnibus,GEO),编号 GSE142526,并提供分析代码。这项工作建立的是模型质量参照,未比较候选药物的反应;其价值在于帮助后续研究同时确认目标细胞、发育状态和组织结构。