Adv Sci | 林明焰/郭兴/刘妍等用单细胞转录组解码移植后人脑类器官经历胎脑发育轨迹

发表时间：2024-06-11 18:03作者：语棠

导语

成人中枢神经系统（CNS）在发病或组织受损后的自我修复能力有限，而与胚胎阶段神经元相当的年轻细胞或组织替代疗法可能是修复大脑的有效方法。源自人类多能干细胞的神经祖细胞可作为中枢神经系统细胞修复的年轻细胞库。

在移植疗法之前，需要全面评估移植类器官的命运决定轨迹以及安全性分析。虽然目前已有确定体外人脑类器官细胞命运的时间序列研究，但是关于移植后人类多能干细胞（hPSC）衍生神经元的存活、分化、命运决定、神经回路整合和功能恢复等体内研究尚少。因此，对移植的神经细胞进行时间和空间的双细胞命运解码至关重要。

单细胞测序网讯：近期，南京医科大学林明焰，郭兴，刘妍团队共同在Advanced Science上发表了题为“Single-Cell Transcriptome Landscape and Cell Fate Decoding in Human Brain Organoids after Transplantation”的研究论文，利用单细胞测序技术解密移植后人脑类器官的单细胞转录组景观和细胞命运。

研究人员首先绘制了人脑类器官的单细胞转录组图谱，并与移植前、移植2个月（2MRT）和移植4个月（4MRT）后的脑类器官单细胞转录图谱进行了比较（图1）。研究人员从D0（移植前第42天脑类器官）、PFC_2MPT、PFC_4MPT、HIP_2MPT 和 HIP_4MPT五个实验组中共获得了34388个人类细胞，鉴定出PLC，NLC，AL和OLC四种主要细胞类型（图1F、G）。通过将类器官与来自BrainSpan的人类胎儿大脑数据进行对比发现，所有样本可分为三个发育阶段：D0组接近8-9 w人胎脑，2MPT组接近12-16 w妊娠期，4MPT组接近19-26 w妊娠期（图1M），表明移植后人脑类器官经历了渐进的发育和成熟。

图1 移植前后人脑类器官的单细胞转录组特征

在sc pseudo-bulk mRNA表达分析中，相似性热图显示D0组与其他四个实验组分离，表明移植前类器官和移植后类器官之间的转录组存在显着差异；此外，区分2MPT组（HIP_2MPT和PFC_2MPT）与4MPT组（HIP_4MPT和PFC_4MPT）表明移植后样本转录组的多样性主要取决于类器官的经历时间（图2B）。

随后研究人员进行了DEGs分析、通路富集分析与拟时序分析，发现人脑类器官在移植前仍处于发育的早期阶段，在2MPT时发生神经元发育，在4MPT时出现神经胶质细胞发生，随后逐渐成熟（图2C-L）。该细胞命运轨迹经免疫荧光染色证实（图3）。

图2 人脑类器官在2MRT与4MRT时分别经历神经元和神经胶质分化

图3 免疫荧光染色表明人脑类器官移植后发生星形胶质细胞分化

随后，研究人员分析了HIP_4MPT和PFC_4MPT的星形胶质细胞的DEG（图4B）。在HIP_4MPT中高表达的基因集富集于神经胶质细胞命运决定和神经元成熟（图4C），而PFC_4MPT高表达与星形胶质细胞功能相关的基因（图4D）。这些结果表明，PFC中移植人星形胶质细胞可能在功能上更成熟，拟时序分析进一步证实了这一点（图4E），这可能得益于多巴胺能和胆碱能神经递质的作用。