小腦（cerebellum, CB）對于運動(dòng)行為的調節至關(guān)重要，還與語(yǔ)言、空間處理、工作記憶、執行功能和情緒處理等人類(lèi)認知功能息息相關(guān)，因此在腦科學(xué)領(lǐng)域收到了廣泛的關(guān)注。
在所有的哺乳動(dòng)物中，小腦起源于菱腦原節1號區域（rhombomere 1, r1），r1區域又包含了腦室區（ventricular zone, VZ）和菱唇（rhomboid lip, RL）。腦室區可生成γ-氨基丁酸能神經(jīng)元（GABAergic neuron，一類(lèi)釋放γ-氨基丁酸的神經(jīng)元），如浦肯野細胞（Purkinje cell）；而菱唇負責生成谷氨酸能神經(jīng)元（Glutamatergic neurons，一類(lèi)釋放谷氨酸的神經(jīng)元），如顆粒細胞（granule cell）。
盡管小腦發(fā)育的早期階段在不同物種之間具有保守性，但與其他哺乳動(dòng)物相比，人類(lèi)小腦具有神經(jīng)元亞型比例改變和小葉復雜性增加這兩大主要特征，并且菱唇中存在一些人類(lèi)特有的神經(jīng)祖細胞。菱唇的發(fā)育異常與多種小腦疾病相關(guān)，比如Dandy-Walker畸形、小腦蚓部發(fā)育不良和髓母細胞瘤（medulloblastoma）等。而其他小腦疾病，像自閉癥和共濟失調(Ataxia)，與浦肯野細胞的退化有關(guān)。
上述這些疾病主要在小鼠模型中進(jìn)行研究，但小鼠模型無(wú)法完全體現人類(lèi)小腦細胞多樣性以及功能特征，也無(wú)法完全重現人類(lèi)疾病的各種表型。比如，在共濟失調毛細血管擴張癥患者中觀(guān)察到浦肯野細胞缺失，這一表型無(wú)法在小鼠模型中體現。因此，腦科學(xué)家們迫切需要開(kāi)發(fā)一種可以產(chǎn)生功能性浦肯野細胞的人源小腦細胞體外培養系統。
美國加州大學(xué)Keck醫學(xué)院Giorgia Quadrato團隊開(kāi)發(fā)了一種人類(lèi)小腦類(lèi)器官（hCerO），可以讓包含浦肯野細胞在內的功能性小腦細胞，在體外人源三維環(huán)境中長(cháng)期健康存活和成熟。相關(guān)成果以“Human cerebellar organoids with functional Purkinje cells”為題，2024年1月4日發(fā)表在Cell Stem Cell雜志上。
研究團隊基于誘導性多功能干細胞（iPSC）產(chǎn)生hCero類(lèi)器官。本文展示的培養方案，可以在類(lèi)器官中形成人類(lèi)小腦發(fā)育期間的主要細胞類(lèi)型，包含胎兒菱唇中的特定祖細胞亞群以及浦肯野細胞。該培養方案具有很好的重復性，可以用于研究小腦發(fā)育與疾病中的細胞類(lèi)型相關(guān)的特定分子機制。此外，hCerO類(lèi)器官還顯示有組織的層狀結構，很像小腦發(fā)育階段的顆粒層（granule layer, EGL）和浦肯野細胞層（Purkinje cell layer， PCL）。
hCerO培養示意圖
DOI: 10.1016/j.stem.2023.11.013
培養僅2個(gè)月的hCero類(lèi)器官，可以形成神經(jīng)功能網(wǎng)絡(luò )。長(cháng)期培養可以增加hCerO中興奮性和抑制性神經(jīng)元之間的功能連接水平。這些研究數據，為使用hCerO模擬與小腦微循環(huán)發(fā)育功能障礙相關(guān)的功能損傷奠定了良好的基礎。
hCerO的鈣信號成像
DOI: 10.1016/j.stem.2023.11.013
通過(guò)空間轉錄組學(xué)手段，基于PCP2、DAB1、RORA和FOXP2等經(jīng)典標志物，研究人員在培養6個(gè)月的hCerO類(lèi)器官的外周發(fā)現了浦肯野細胞。此外，利用鈣成像、膜片鉗和鈣結合蛋白染色等手段，發(fā)現hCerO類(lèi)器官中的浦肯野細胞具有顯著(zhù)的樹(shù)狀末梢和不同的細胞形態(tài)。這是首次在體外全人源細胞培養系統中，成功培養出具有功能性的浦肯野細胞。
hCerO的空間轉錄組學(xué)研究
DOI: 10.1016/j.stem.2023.11.013
展望與不足
本文通訊作者Giorgia Quadrato
（https://quadratolab.usc.edu/people/）
本文解決了腦科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重大技術(shù)難題，hCerO小腦類(lèi)器官有望用于研究人類(lèi)小腦發(fā)育、穩態(tài)和疾病過(guò)程中的細胞-細胞相互作用。本文為進(jìn)一步認識小腦進(jìn)化生物學(xué)，研究與菱唇發(fā)育相關(guān)疾病，重現小腦與其他腦區的連接，加速腦病相關(guān)藥物研發(fā)，提供了一種有效的研究工具。
但本文有以下三個(gè)的不足：
（1）用于深入分析的細胞系數量較少
在構建hCerO類(lèi)器官時(shí)，使用了多種人多功能干細胞（hPSC）的細胞系，但在分析類(lèi)器官的細胞多樣性和區域特征時(shí)，只選擇了其中一種細胞系。研究團隊無(wú)法明確，不同的細胞系是否會(huì )產(chǎn)生不同的類(lèi)器官細胞組成，或者不同的細胞系是否會(huì )導致不同的結論。所以，未來(lái)有必要納入更多的人多功能干細胞系用于分析，以此來(lái)提供培養方案的有效性。
（2）類(lèi)器官培養時(shí)長(cháng)不夠
研究人員只在培養了6個(gè)月的hCerO中對浦肯野細胞進(jìn)行了功能分析，有必要在更長(cháng)的發(fā)育周期內，研究浦肯野細胞的功能和形態(tài)發(fā)育。
（3）缺少細胞遷移實(shí)驗
未來(lái)需要增加活體成像實(shí)驗，來(lái)觀(guān)察hCerO中的細胞遷移行為。這可以更好地研究顆粒細胞在類(lèi)器官邊緣的切向（tangential）移動(dòng)或者層狀結構（laminar layering）的短暫形成。
合作咨詢(xún)
肖女士
021-33392297
Kelly.Xiao@imsinoexpo.com
2006-2025 上海博華國際展覽有限公司版權所有（保留一切權利）
滬ICP備05034851號-57
