人類大腦在妊娠中期經(jīng)歷了快速的發(fā)育過程，由神經(jīng)干細(xì)胞和祖細(xì)胞(NSPCs)形成成熟大腦的神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞。

近日，Irving L. Weissman團(tuán)隊(duì)描述了一種使用細(xì)胞表面標(biāo)記，可以從發(fā)育中的人腦中前瞻性分離十種不同NSPC的方法。文章在最新一期的Cell雜志上發(fā)表，名為“Purification and characterization of human neural stem and progenitor cells”。

最近，單細(xì)胞技術(shù)提供了前所未有的空間和時(shí)間分辨率，使得神經(jīng)干細(xì)胞/祖細(xì)胞（NSPC）在整個(gè)發(fā)育過程中的轉(zhuǎn)錄組學(xué)多樣性得到詳細(xì)描述，產(chǎn)生了人類NSPC的詳細(xì)圖譜。然而，干細(xì)胞的定義應(yīng)該基于它們的功能。干細(xì)胞生物學(xué)的本質(zhì)在于能夠前瞻性地分離純細(xì)胞群以進(jìn)行功能表征。因此，作者開發(fā)了一種通過熒光激活細(xì)胞分選（FACS）來純化不同NSPC亞群的方法，允許基于十幾種細(xì)胞表面標(biāo)記物的定量表達(dá)進(jìn)行前瞻性分離。

神經(jīng)干和祖細(xì)胞類型的免疫表型定義

為了純化細(xì)胞本質(zhì)上具有不同NSPC的部分（假設(shè)存在的），作者通過機(jī)械和酶解將GW17-19人腦組織分離成單細(xì)胞懸浮液（見圖1A）。然后使用FACS分析染色的細(xì)胞懸浮液（見圖1B）。在這個(gè)孕齡組的十幾個(gè)樣本中，觀察到的免疫表型特征非常一致。

確定了各種假設(shè)的NSPC群體后，作者對其進(jìn)行了注釋（見圖1C）。這些轉(zhuǎn)錄組定義的細(xì)胞類型包括推定的vRG、oRG、星形膠質(zhì)細(xì)胞、前少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞（pre-OPC）、OPC、少突膠質(zhì)細(xì)胞、中間祖細(xì)胞（IPC）以及興奮性和抑制性神經(jīng)元譜系細(xì)胞（ExN和InN）。通過scRNA-seq驗(yàn)證，他們獲得了非常純的分類細(xì)胞群，允許對下游功能的各種假設(shè)的NSPC進(jìn)行前瞻性分離。

雙能膠質(zhì)祖細(xì)胞的鑒定

在scRNA-seq數(shù)據(jù)中，作者確定了一組細(xì)胞，這些細(xì)胞表達(dá)了星形膠質(zhì)細(xì)胞譜系（GFAP、SLC1A3、HEPACAM和AQP4）以及少突膠質(zhì)細(xì)胞譜系（OLIG1和OLIG2）的基因特征轉(zhuǎn)錄本，進(jìn)而導(dǎo)致他們假設(shè)該簇是假定的雙能神經(jīng)膠質(zhì)祖細(xì)胞(GPC)。通過胎兒腦組織的共聚焦成像，能夠識別皮質(zhì)中GFAP和OLIG2染色呈陽性的細(xì)胞（圖2C）。

進(jìn)一步的免疫染色證實(shí)GFAP+OLIG2+細(xì)胞也對HOPX和ETV4染色呈陽性（圖2D），這與轉(zhuǎn)錄組學(xué)發(fā)現(xiàn)一致。轉(zhuǎn)錄組學(xué)鑒定、前瞻性分離以及作者進(jìn)行的體外克隆分化分析（圖2F、G、H）和體內(nèi)移植（2I、J）結(jié)果為胎兒大腦中存在功能雙能GPC提供了有力證據(jù)。

圖2. 雙能神經(jīng)膠質(zhì)祖細(xì)胞的鑒定

不同腦區(qū)域的NSPC表面標(biāo)記

雖然研究主要集中在皮質(zhì)上，但他們也試圖確定這個(gè)凈化方案是否適用于特定的皮質(zhì)區(qū)域和皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)。作者從完整的胎兒人腦標(biāo)本中分離出13個(gè)不同的區(qū)域（見圖3A）。有了這個(gè)解剖學(xué)注釋的數(shù)據(jù)集，能夠確認(rèn)，絕大多數(shù)測序細(xì)胞（86%-99%）都是映射到皮質(zhì)的，未映射到皮質(zhì)的細(xì)胞幾乎都由皮質(zhì)下的星形膠質(zhì)細(xì)胞解釋（見圖3B-a）。

總的來說，作者證明了NSPCs在胎兒大腦中的表面標(biāo)記可以廣泛應(yīng)用于這個(gè)發(fā)育階段的任何大腦結(jié)構(gòu)。

圖3.不同腦區(qū)域的NSPC表面標(biāo)記

總結(jié)與展望

作者的數(shù)據(jù)表明，根據(jù)定義的表面標(biāo)記的表達(dá)，NSPC可以前瞻性地從發(fā)育中的人腦中分離出來。他們確定了三個(gè)主要的神經(jīng)區(qū)室：CD24-THY1-/loRG和星形膠質(zhì)細(xì)胞、THY1hi少突膠質(zhì)細(xì)胞譜系和CD24+THY1-/lo神經(jīng)元前體，每個(gè)都存在進(jìn)一步的免疫表型異質(zhì)性（圖4）。這些標(biāo)記在不同的大腦區(qū)域中均存在。

圖4.人類胎兒NSPCs的前瞻性分離策略

希望這項(xiàng)研究和其他類似研究，能夠闡明在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中此類發(fā)展是如何出錯(cuò)的——以及如何利用它們來創(chuàng)造新療法。“對發(fā)育中的人腦干細(xì)胞和祖細(xì)胞的普查實(shí)際上才剛剛開始”，加州大學(xué)舊金山分校的發(fā)育神經(jīng)科學(xué)家Arnold Kriegstein說，“這項(xiàng)工作為了解其中的復(fù)雜性提供了一個(gè)很好的窗口?！?/p>

這項(xiàng)研究對增加人類大腦細(xì)胞譜系知識的重要貢獻(xiàn)。但Kriegstein指出，小鼠體內(nèi)人類干細(xì)胞的發(fā)育可能無法完全反映這些細(xì)胞在人腦中的發(fā)育情況。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.02.017

參考文獻(xiàn)

Liu DD, He JQ, Sinha R, Eastman AE, Toland AM, Morri M, Neff NF, Vogel H, Uchida N, Weissman IL. Purification and characterization of human neural stem and progenitor cells. Cell. 2023 Mar 16;186(6):1179-1194.e15. doi: 10.1016/j.cell.2023.02.017. PMID: 36931245.

編譯作者：Ayden（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）

校審：Simon（brainnews編輯部）

標(biāo)簽：腦科學(xué)神經(jīng)科學(xué)