撰文丨易

人類大腦發(fā)育是一個高度復(fù)雜且動態(tài)調(diào)控的過程，涉及神經(jīng)上皮的極性建立、管腔形成以及不同腦區(qū)的模式化。然而，由于倫理和技術(shù)限制，直接在人類胚胎中研究這一過程極具挑戰(zhàn)性。大腦類器官技術(shù)的出現(xiàn)為這一領(lǐng)域帶來了突破性進展，其能夠模擬人類大腦發(fā)育的關(guān)鍵事件，包括神經(jīng)前體細(xì)胞的自我組織、區(qū)域特化和神經(jīng)元分化。盡管如此，當(dāng)前研究仍面臨兩大瓶頸：一是缺乏高時空分辨率的動態(tài)成像技術(shù)來捕捉類器官發(fā)育的連續(xù)變化；二是對細(xì)胞外微環(huán)境如何調(diào)控早期神經(jīng)形態(tài)發(fā)生的理解仍不深入。

已有研究表明，細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）在神經(jīng)發(fā)育中扮演多重角色，如提供結(jié)構(gòu)支持、介導(dǎo)細(xì)胞間通訊和調(diào)控信號通路。然而，這些發(fā)現(xiàn)多源于動物模型，而人類大腦發(fā)育的獨特性（如更長的細(xì)胞周期和復(fù)雜的皮質(zhì)層化）可能導(dǎo)致ECM的作用存在差異。此外，現(xiàn)有類器官培養(yǎng)方法通常依賴外源性ECM（如Matrigel），但其具體如何影響組織拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和腦區(qū)模式化尚缺乏系統(tǒng)性研究。近年來，活體成像技術(shù)的進步和CRISPR介導(dǎo)的熒光標(biāo)記技術(shù)為長期動態(tài)觀測類器官發(fā)育提供了可能。但大腦類器官的尺寸大、光學(xué)密度高且培養(yǎng)周期長（數(shù)周至數(shù)月），對成像系統(tǒng)的穩(wěn)定性、分辨率和無菌控制提出了極高要求。因此，開發(fā)適配類器官特性的成像和分析方法，并整合多組學(xué)數(shù)據(jù)，是揭示人類大腦形態(tài)動力學(xué)的關(guān)鍵。

近日，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Barbara Treutlein和Akanksha Jain在Nature期刊上發(fā)表了文章Morphodynamics of human early brain organoid development，開發(fā)了長時程活體成像技術(shù)和多組學(xué)分析方法，系統(tǒng)揭示了細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）通過調(diào)控WNT/Hippo信號通路來指導(dǎo)人類大腦類器官的形態(tài)發(fā)生和腦區(qū)模式化的分子機制，也為研究人類大腦形態(tài)動力學(xué)開辟了新途徑。

本研究通過整合長時程活體成像、單細(xì)胞多組學(xué)分析和功能實驗，系統(tǒng)揭示了細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）調(diào)控人類大腦類器官形態(tài)發(fā)生和區(qū)域模式化的多層次機制。首先，研究發(fā)現(xiàn)外源性ECM（如Matrigel）顯著促進 神經(jīng)上皮的極化和管腔動力學(xué)，與無ECM條件相比，Matrigel培養(yǎng)的類器官管腔體積更大，且通過頻繁的融合事件形成伸長形態(tài)，這一過程伴隨著細(xì)胞沿器官表面的協(xié)調(diào)流動。此外，合成水凝膠實驗表明ECM的機械和生化特性具有協(xié)同作用——層粘連蛋白功能化的PEG水凝膠（PEG-Lam）可部分重現(xiàn)Matrigel的促管腔擴張效應(yīng)，而膠原肽修飾的PEG（PEG-GFOGER）則抑制管腔形成，提示特定ECM組分通過差異信號通路調(diào)控形態(tài)發(fā)生。

其次，在單細(xì)胞水平，多通道熒光標(biāo)記和形態(tài)計量學(xué)分析揭示了ECM依賴的細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變。Matrigel條件下，神經(jīng)前體細(xì)胞在發(fā)育早期（第5天）即呈現(xiàn)顯著的徑向伸長和極性排列，與體內(nèi)放射狀膠質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)特征高度一致；而無ECM條件下則保持較高的形態(tài)異質(zhì)性，且缺乏方向性遷移。空間蛋白質(zhì)組圖譜顯示Matrigel條件下，類器官外周富集基底膜蛋白（LAMA1、COL4A1），這些區(qū)域同時高表達(dá)端腦標(biāo)志物（FOXG1、SIX3）；而無ECM條件下，在內(nèi)側(cè)累積纖維連接蛋白（FN1），并伴隨尾化神經(jīng)前體（WLS+、GBX2+）的異常擴增。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組進一步證實，無ECM條件下選擇性地激活WNT-β-catenin通路和Hippo效應(yīng)因子YAP1，通過CUT&Tag技術(shù)驗證了YAP1直接結(jié)合WLS啟動子區(qū)域，建立了機械信號轉(zhuǎn)導(dǎo)至基因程序的分子橋梁。

WLS基因敲除完全逆轉(zhuǎn)了無ECM條件下的尾化表型，使類器官恢復(fù)端腦優(yōu)勢；而藥理學(xué)激活YAP1則導(dǎo)致Matrigel組類器官喪失管腔維持能力，并提前分化出中腦特征神經(jīng)元（LMX1B+）。這些發(fā)現(xiàn)共同支持了一個整合性模型——ECM通過“機械-生化信號耦合”模式協(xié)調(diào)組織拓?fù)渑c細(xì)胞命運決定：基底膜成分（如層粘連蛋白）提供物理約束和生化線索，維持神經(jīng)上皮的極化和端腦特性；而當(dāng)ECM缺失時，YAP1介導(dǎo)的機械傳感通路異常激活WNT信號，驅(qū)動組織向尾化命運轉(zhuǎn)變。

綜上所述，本研究通過創(chuàng)新性開發(fā)長時程活體光片顯微成像技術(shù)，實現(xiàn)了人類大腦類器官發(fā)育過程中組織形態(tài)和細(xì)胞行為的動態(tài)追蹤。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）通過調(diào)控WNT/Hippo信號通路（特別是YAP1-WLS軸）來指導(dǎo)腦類器官的形態(tài)發(fā)生和區(qū)域模式化，其中外源性基質(zhì)可促進端腦形成，而無基質(zhì)條件則導(dǎo)致組織尾化。研究也揭示了ECM的機械特性和生化組成協(xié)同作用，通過“機械—生化信號耦合”模式協(xié)調(diào)神經(jīng)上皮極化和腦區(qū)特化。這些發(fā)現(xiàn)不僅為理解人類大腦發(fā)育的微環(huán)境調(diào)控提供了新機制，也為類器官模型的優(yōu)化和神經(jīng)發(fā)育疾病研究奠定了重要基礎(chǔ)。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09151-3

制版人： 十一

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