呈不规则中空结构的视网膜类器官剖面插画。
视网膜类器官的结构示意。(Ryan Kissinger; Courtesy of NIAID / NIH BioArtSource;Public domain)

培养天数相同,类器官的发育状态仍可能不同

威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin–Madison)等团队在 Development 报道,视网膜类器官可以用整体形态划分发育阶段。研究希望解决一个实际问题:不同细胞系、批次甚至同一批培养物,不能仅凭培养天数认定处于相同状态。

团队持续观察 16 株人多能干细胞来源的类器官,包括 4 株胚胎干细胞系和 12 株诱导多能干细胞系。研究历时 3 年,涉及最多 12 名实验人员;各细胞系至少观察至第 175 天,所记录的培养时间范围为 175–470 天。

所有细胞系的培养物都能观察到 3 个共同阶段,但各阶段出现的时间明显重叠,同一批中也可能并存不同阶段的类器官。并非每个类器官都能到达第 3 阶段,因此培养时间与组织状态需要一同记录。

3 个形态阶段对应不同的细胞组成

第 1 阶段的类器官外围呈明亮的神经上皮样边缘。染色显示,外侧有大量仍在增殖的视网膜祖细胞,内侧则聚集较早出现的视网膜神经节细胞;这一阶段的内层结构已经开始形成,但尚不完整。

进入第 2 阶段后,明亮外缘消退,整体颜色加深。光感受器前体、逐渐分化的视杆和视锥细胞,以及多类视网膜中间神经元同时出现;细胞类型更加丰富,却通常还没有清楚分开的细胞核层和突触层。

第 3 阶段的表面出现毛刷样突起,对应发育中的光感受器外节。研究在外侧观察到较清楚的视锥和视杆分层、带状突触,以及穆勒胶质细胞参与形成的外界膜。电镜所见外节仍包含部分膜盘尚未规则堆叠的发育中结构。

活体成像与细胞标志相互核对

研究先在常规光学显微镜下判定整体外观,再用光学相干断层成像(optical coherence tomography,OCT)观察活体组织内部。3 个阶段分别呈现开放碗状、内部空腔及较明显分层等结构特征,使外观分期有了组织内部的对应依据。

免疫染色和透射电镜进一步检查细胞身份、外节与突触。光学代谢成像还在第 3 阶段记录到光感受器内节与外节区域不同的自发荧光分布,支持这些细胞仍具有代谢活动;这项检测没有直接测量光刺激引起的神经信号。

这些检查评价的对象各不相同:整体形态用于挑选阶段,OCT 观察组织构造,细胞标志和电镜则核对局部组成与细节。将它们对应起来,能够进一步判断外观相近的模型是否含有所需的细胞和结构。

外层逐渐成熟,内部神经节细胞却难以长期维持

在第 3 阶段,类器官外层的光感受器组织较完整,内部却逐渐出现细胞丢失和排列紊乱。研究在所有细胞系中都观察到视网膜神经节细胞减少,还发现部分光感受器出现在不合适的内部位置;外层结构改善与内部退变同时发生。

作者因此建议,研究神经节细胞时应关注第 1 阶段或较早的第 2 阶段;以光感受器为对象时,第 3 阶段更能提供相关结构。外界膜的形成也使作者提出,可进一步研究药物或基因递送材料从表面进入组织的过程,但这仍是后续应用方向。

这套分期首先用于比较模型质量和选择研究对象。同一批类器官可以处于不同阶段,即使采用同基因背景对照,也需要确认样本的发育状态;进入治疗评价前,模型阶段应与所关注的细胞和功能相匹配。

来源与延伸阅读

  1. Reproducibility and staging of 3D human retinal organoids across multiple pluripotent stem cell lines. Development. 2019. DOI: 10.1242/dev.171686 ↗