isoCell揭示人類大腦發(fā)育過程中組織形態(tài)和細(xì)胞行為的動(dòng)態(tài)變化過程

近日，Nature期刊發(fā)表了一項(xiàng)題為“Morphodynamics of human early brain organoid development”的突破性研究。該研究通過創(chuàng)新的多色熒光標(biāo)記標(biāo)記技術(shù)和長(zhǎng)時(shí)間活體光片顯微鏡成像技術(shù)，首次揭示了人類大腦發(fā)育過程中組織形態(tài)和細(xì)胞行為的動(dòng)態(tài)變化過程。值得強(qiáng)調(diào)的是，iotaSciences 的單細(xì)胞可視化分選培養(yǎng)系統(tǒng)isoCell為該研究的順利開展提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，其保障的 100% 單細(xì)胞源性研究起點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)性與可靠性的核心基礎(chǔ)，為深入解析大腦發(fā)育的復(fù)雜機(jī)制奠定了重要技術(shù)基石。

單細(xì)胞可視化分選培養(yǎng)系統(tǒng)isoCell

本文研究亮點(diǎn)：

1. 100%單細(xì)胞源性的研究起點(diǎn)：

在創(chuàng)建 WLS 基因敲除（WLS-KO）的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）系時(shí)，研究人員通過 CRISPR-Cas9 編輯細(xì)胞后，利用 isoCell單細(xì)胞可視化分選培養(yǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的單克隆分離。具體流程為：將編輯后的細(xì)胞制備成單細(xì)胞懸液（7,500 cells/ml），通過 isoCell 的網(wǎng)格系統(tǒng)進(jìn)行單細(xì)胞分配，分離后的單克隆經(jīng)擴(kuò)增和驗(yàn)證（如測(cè)序）后，用于后續(xù)類器官培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。

isoCell單細(xì)胞可視化分選培養(yǎng)技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)在于保障100%的單細(xì)胞源性，確保 WLS-KO 細(xì)胞系的遺傳均一性，從源頭避免了雜合細(xì)胞對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，從而為研究 WLS 基因在腦類器官發(fā)育中的功能（如區(qū)域化、信號(hào)通路調(diào)控）奠定了可靠的細(xì)胞模型基礎(chǔ)。

2. 多色熒光標(biāo)記技術(shù)及長(zhǎng)時(shí)間高分辨類器官光片顯微鏡的聯(lián)合創(chuàng)新應(yīng)用

研究團(tuán)隊(duì)利用五種不同的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）系，每種細(xì)胞系穩(wěn)定表達(dá)一種特定的熒光標(biāo)記蛋白，分別標(biāo)記細(xì)胞膜（CAAX-RFP）、肌動(dòng)蛋白（ACTB-GFP）、微管（TUBA1B-RFP）、細(xì)胞核（HIST1H2BJ-GFP）和核膜（LAMB1-RFP）。這種多色標(biāo)記策略使得在成像過程中能夠同時(shí)追蹤多個(gè)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和細(xì)胞器的動(dòng)態(tài)變化。圖中展示了不同熒光標(biāo)記的細(xì)胞在類器官中的分布情況，清晰顯示了細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核的邊界，為后續(xù)的細(xì)胞追蹤和形態(tài)分析提供了基礎(chǔ)。通過將標(biāo)記的iPSC系與未標(biāo)記的父代iPSC系按2:100的比例混合，形成了多色熒光標(biāo)記的細(xì)胞群體，顯著減少了熒光信號(hào)的重疊和干擾，提高了細(xì)胞追蹤的精度和分辨率。圖中展示了多色熒光標(biāo)記標(biāo)記的類器官生成流程，包括細(xì)胞聚集、神經(jīng)誘導(dǎo)、神經(jīng)分化和長(zhǎng)期成像等步驟，突出了稀疏標(biāo)記在減少信號(hào)干擾方面的優(yōu)勢(shì)（Fig. 1）。

本研究克服了類器官長(zhǎng)期活體成像的技術(shù)難題，利用長(zhǎng)時(shí)間高分辨類器官光片顯微鏡實(shí)現(xiàn)了對(duì)類器官發(fā)育過程的高時(shí)空分辨率追蹤，連續(xù)成像數(shù)周而不干擾細(xì)胞正常發(fā)育。圖中展示了類器官在不同發(fā)育階段的成像結(jié)果，包括腔隙的形成、擴(kuò)張和融合等過程，揭示了大腦發(fā)育的動(dòng)態(tài)變化（Fig. 1）。

 
3. 細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的關(guān)鍵作用

研究發(fā)現(xiàn)，外源性提供的基質(zhì)（如Matrigel）顯著增強(qiáng)了腔隙的擴(kuò)張和端腦的形成，而無外源性基質(zhì)的類器官則表現(xiàn)出形態(tài)學(xué)上的改變，包括神經(jīng)嵴和尾側(cè)組織特性的增加（Fig. 2）。圖中對(duì)比有無Matrigel條件下類器官的發(fā)育情況，包括腔隙的大小、數(shù)量和分布等差異，揭示了ECM在大腦發(fā)育中的重要作用。

 
4. 細(xì)胞形態(tài)與行為的動(dòng)態(tài)解析

結(jié)合圖像分割和追蹤算法，研究團(tuán)隊(duì)提取了細(xì)胞的形態(tài)計(jì)量學(xué)特征（如細(xì)胞體積、表面積和軸長(zhǎng)比等），量化了細(xì)胞在發(fā)育過程中的形態(tài)變化（Fig.3）。圖中展示了不同發(fā)育階段細(xì)胞的形態(tài)計(jì)量學(xué)特征變化，包括細(xì)胞體積的增大、軸長(zhǎng)比的調(diào)整等，揭示了細(xì)胞在發(fā)育過程中的形態(tài)重塑過程。

通過追蹤特定標(biāo)記細(xì)胞的發(fā)育軌跡，進(jìn)一步揭示了神經(jīng)上皮細(xì)胞的分化、神經(jīng)元的成熟等關(guān)鍵命運(yùn)決定事件（Fig. 3）。圖中展示了細(xì)胞在不同發(fā)育階段的追蹤結(jié)果，包括細(xì)胞的遷移路徑、分裂事件和形態(tài)變化等，展現(xiàn)了大腦發(fā)育的動(dòng)態(tài)過程。

5. 單細(xì)胞RNA測(cè)序與成像數(shù)據(jù)的整合分析

本研究將單細(xì)胞RNA測(cè)序數(shù)據(jù)與成像數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過基因表達(dá)特征對(duì)細(xì)胞類型進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分和驗(yàn)證，提高了細(xì)胞追蹤和解析的準(zhǔn)確性和深度（Fig. 4）。圖中展示了單細(xì)胞RNA測(cè)序和成像數(shù)據(jù)的整合分析結(jié)果，包括細(xì)胞類型的細(xì)分、基因表達(dá)特征的變化和空間分布模式等，揭示了大腦發(fā)育的分子機(jī)制。

通過比較不同條件下類器官的基因表達(dá)變化，揭示了YAP1和WLS等關(guān)鍵基因在大腦發(fā)育中的調(diào)控作用，為理解大腦發(fā)育的分子機(jī)制提供了新線索，同時(shí)發(fā)現(xiàn)基質(zhì)誘導(dǎo)的區(qū)域引導(dǎo)和腔隙形態(tài)發(fā)生與WNT和Hippo（YAP1）信號(hào)通路密切相關(guān)，揭示了ECM在大腦區(qū)域模式形成中的重要作用。

研究意義：

本研究不僅為理解人類大腦發(fā)育的形態(tài)動(dòng)力學(xué)提供了新的技術(shù)手段和理論依據(jù)，還展示了基質(zhì)介導(dǎo)的神經(jīng)上皮信號(hào)通路在大腦區(qū)域模式形成中的重要作用。通過長(zhǎng)時(shí)間活體成像和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析，揭示了細(xì)胞外微環(huán)境在類器官發(fā)育和模式形成中的復(fù)雜調(diào)控機(jī)制，為未來探索細(xì)胞外基質(zhì)在人類大腦發(fā)育中的作用奠定了基礎(chǔ)。

結(jié)語：

這項(xiàng)突破性研究不僅推動(dòng)了大腦發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，也為類器官技術(shù)在疾病建模、藥物篩選和再生醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用提供了新的思路和方法。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究的深入，我們有理由相信，人類將能夠更全面地揭示大腦發(fā)育的奧秘，為神經(jīng)科學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展開辟新的道路。

IsoCell 單細(xì)胞可視化分選培養(yǎng)技術(shù)的核心價(jià)值

在本研究中，isoCell單細(xì)胞可視化分選培養(yǎng)技術(shù)（iotaSciences）用于生成基因編輯單克隆細(xì)胞系，在構(gòu)建 WLS 基因敲除（WLS-KO）誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）時(shí)發(fā)揮關(guān)鍵作用。其核心優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在100%單細(xì)胞性上。從單細(xì)胞的準(zhǔn)確分離，到微型細(xì)胞室內(nèi)的精細(xì)培養(yǎng)，再到驗(yàn)證后的單克隆文化物自動(dòng)化轉(zhuǎn)移至96孔板，整個(gè)流程一氣呵成，無縫銜接，顯著提高了工作效率。

借助該技術(shù)，平臺(tái)能夠快速對(duì)單細(xì)胞進(jìn)行驗(yàn)證，并生成詳盡的單克隆性報(bào)告，確保了每一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果都具備高度的可靠性和超卓的質(zhì)量，為科研數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供了堅(jiān)實(shí)保障。同時(shí)，該技術(shù)確保了 WLS-KO 細(xì)胞系的遺傳均一性，避免雜合細(xì)胞干擾，為研究 WLS 在腦類器官發(fā)育中對(duì) ECM 調(diào)控、WNT 信號(hào)通路及腦區(qū)分化的作用提供可靠模型，其單細(xì)胞分離與追蹤功能排除了細(xì)胞異質(zhì)性影響，保障了后續(xù)類器官培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中基質(zhì)擾動(dòng)、單細(xì)胞測(cè)序等結(jié)果的準(zhǔn)確性與可重復(fù)性，支撐了 ECM 通過 YAP1-WLS-WNT 通路調(diào)控腦類器官區(qū)域化結(jié)論的機(jī)制驗(yàn)證。

 
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