同一视网膜制备方法在不同细胞系中表现不同

视网膜类器官可用于眼病机制与药物研究,但细胞系和培养方法会改变模型组成。纽卡斯尔大学(Newcastle University)等团队在 Stem Cells Translational Medicine 比较了 3 条人多能干细胞系,跟踪早期成形、长期培养与细胞功能。

3 条细胞系分别为 H9 人胚胎干细胞系(human embryonic stem cells,hESCs),以及新生男性来源的诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)Neo1、37 岁女性来源的诱导多能干细胞 AD3。研究比较机械处理、酶处理以及解离后重新聚集三类起始方式,并检验短期 ROCK 抑制剂与静置、摇动培养的影响。

组织形态、免疫染色与基因表达用于判断模型是否出现神经视网膜特征,部分模型进一步培养至 19—21 周,再进行转录标志和多电极阵列记录。这使研究能区分早期形成率与后期结构、功能的变化。

早期表达按细胞系聚类,形成率受制备条件影响

第 5 周的基因表达分析主要按细胞系聚类。相同细胞系内部,起始方法、ROCK 抑制剂和摇动培养没有带来显著表达差异。形态评价则显示,培养组合仍影响是否形成类视网膜结构,两种检测回答的问题不同。

在机械处理、短期 ROCK 抑制和静置条件下,H9、AD3 和 Neo1 的类视网膜形成率分别为 78.5%、94.4% 和 12.5%。这些比例来自被评分的胚状体结构(embryoid bodies,EB),说明同一条件对不同细胞系的适配程度相差较大。

酶处理、ROCK 抑制和摇动同时采用时,三条细胞系都未成功形成类视网膜结构。较长期观察还发现,酶处理后的两个 iPSC 细胞系在 19 周前退化;H9 在酶处理和静置组合下仍能保留结构。

团队同时与人类发育组织比较,包括 8 份 4.6—8 周孕后龄的胚胎整眼和 21 份 8—18 周孕后龄的胎儿神经视网膜。原文以孕后龄(post-conception weeks,PCW)标记阶段;整眼与神经视网膜的组织构成也不同,因此参照包含发育阶段和组织来源两个维度。

后期培养条件影响增大,静置更接近胎儿参照

第 19—21 周的基因分析显示,模型更多随静置或摇动条件聚类,细胞系差异的相对影响减弱。与胎儿视网膜参照比较,静置培养模型的表达更接近参照;这一结果与早期主要按细胞系聚类的情况不同。

摇动培养的模型中,一些光感受器前体及早期分化标志更高,而较成熟标志相对较低。作者据此认为,摇动可能改变后期分化进度。较高的前体标志与较低的成熟标志共同提示,摇动组仍处于不同的发育阶段。

形态观察也显示培养条件的差别:第 12 周的静置模型可见分层视网膜组织,第 13 周的摇动模型则出现较多排列紊乱的未成熟光感受器。机械处理、短期 ROCK 抑制和静置培养组合的模型在第 24 周经电镜观察,可见连接纤毛及初步外节结构。这些结果与细胞标志及参照表达共同反映模型的成熟状态。

原研究后期视网膜类器官静置摇动表达比较全图,包含主成分图、相关箱图和热图

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第 19—21 周静置与摇动视网膜类器官的表达聚类、与人发育组织的相关及差异基因比较。(来源:Mellough 等,Stem Cells Translational Medicine,2019,Fig.7,CC BY 4.0)(Mellough 等 / Stem Cells Translational Medicine, 2019, Fig.7;CC BY 4.0)

光与神经递质响应补充结构和表达评价

团队在约 21 周的类器官中记录了 164 个推定视网膜神经节细胞(retinal ganglion cells,RGC)。白光刺激后,37 个细胞的放电增加超过 25%,40 个减少超过 25%;另外还用持续蓝光区分可能具有内在感光能力的细胞。

环鸟苷酸类似物 8-br-cGMP 和 γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid,GABA)也能使部分细胞的放电发生变化。白光、蓝光以及这两种刺激分别用于检查不同的传递过程,功能比较以单细胞记录为基础。

作者提出,早期与后期需要采用不同的质量判断。早期检查应重视细胞系的分化倾向,较长期模型则要关注培养条件对成熟阶段和细胞组成的影响。用于眼科药物研究时,这些结构、表达与功能信息共同帮助确定模型状态。

来源与延伸阅读

  1. Systematic Comparison of Retinal Organoid Differentiation from Human Pluripotent Stem Cells Reveals Stage Specific, Cell Line, and Methodological Differences. Stem Cells Translational Medicine. 2019. doi:10.1002/sctm.18-0267 ↗