改动眼组织诱导体系,增加视网膜成分

视网膜类器官的培养常使用多种生长因子或小分子调节物,可能增加后续信号研究与药物筛查的解释难度。中山大学团队在 Frontiers in Cell and Developmental Biology 报告改良 SEAM(self-formed ectodermal autonomous multi-zone)体系。这一体系由干细胞在平面培养中自行形成多个眼组织分区,研究重点是提高其中的视网膜成分。

研究采用 H9 人胚胎干细胞。团队在初期形成眼相关细胞聚集后更换为视网膜诱导培养条件,视网膜祖细胞相关的 OTX2、SOX2 和 CHX10 阳性聚集增多,随后出现杯状结构及相邻色素区域。

分化约 40 天时,每个六孔板培养孔获得的多区细胞集落约为 74±19 个,该结果来自 4 个技术重复。研究再将视网膜结构分离并进入悬浮培养;后文的周数以这一天为起点。

作者强调诱导阶段减少外加生长因子和小分子调节物的思路。长期维持条件仍含血清和营养添加物,并在悬浮培养后加入维甲酸,因此减少外加因子的特点主要涉及诱导阶段。

形态变化和细胞标志共同区分早晚阶段

悬浮培养初期,类器官生长较快,神经上皮层次清楚;约 5–6 周后生长放缓,上皮逐渐变薄。Ki67 增殖标志也随时间减少。作者把前 6–7 周与此后分别作为早期和晚期分化阶段。

球体面积分析来自 3 次独立实验的 10 个类器官,神经上皮厚度分析来自 3 次独立实验的 15 个类器官。前者描述整体生长,后者显示细胞层结构的变化。

细胞类型的出现顺序支持这一分期。早期可见神经节细胞、视锥相关细胞、水平细胞和无长突细胞;后期则出现视杆相关细胞、双极细胞和 Müller 胶质细胞,并形成推定的内核层与外丛状层。

神经节细胞没有持续增加。BRN3 阳性细胞占总细胞的平均比例,从第 5 周约 36.32% 降至第 8 周约 11.72%,比较来自 7 个独立重复。需要研究这类细胞的实验,应关注其可观察的培养窗口。

改良 SEAM 体系所得视网膜类器官的大小、神经上皮厚度和增殖标志随培养时间的变化。

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改良 SEAM 体系所得视网膜类器官的大小、神经上皮厚度和增殖标志随培养时间的变化。(Jinyan Li et al. / Frontiers in Cell and Developmental Biology, 2021, FIGURE 2;CC BY 4.0)

分开培养保留光感受器,并观察其区域差别

为减少类器官在混合悬浮中黏连,团队将它们分别置于低吸附孔中维持。约第 21 周开始,大多数模型表面可见毛发样突出。免疫染色和透射电镜显示,与这些突出对应的结构含富线粒体内节、初步膜盘外节和带状突触。

整体染色及三维重建还显示视杆和视锥分布不均。靠近色素上皮一侧更偏向视杆,远侧视锥相对更多;8 个观察对象中,两区域的视锥/视杆平均比值分别约为 1.12 和 4.56。

这些结果补充了常规切片标志物检测,说明同一模型内也存在区域差别。本文对光感受器成熟的依据主要来自形态、标志和超微结构,尚未直接测得光刺激引起的电生理反应。

色素上皮与神经视网膜共同形成

改良体系还可同时保留视网膜色素上皮区域,以及两类组织连接处的睫状缘样结构。保留相邻色素区域后,第 78 天带色素上皮球的视网膜类器官频率约为 64±14%,该组结果来自 3 个重复。

分离出的色素上皮可扩增为有色素的多边形单层。扩增早期可见 OTX2 和 PAX6,而成熟标志 RPE65 在细胞重新着色后才被检出,并伴随 MITF、ZO-1 表达。细胞还能吞入荧光聚苯乙烯微球。紧密连接和隆起结构提示一定极性与屏障特征,但作者指出还需要跨上皮电阻等进一步功能检测。

本研究提供了可供药物研究考虑的分期和模型质量信息,未开展候选药物筛选。其效率主要在 H9 细胞系中建立,能否推广到其他胚胎干细胞或患者 iPSC,仍需按相同指标检验。

来源与延伸阅读

  1. Generation and Staging of Human Retinal Organoids Based on Self-Formed Ectodermal Autonomous Multi-Zone System. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 2021. doi:10.3389/fcell.2021.732382 ↗