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近日，Nature期刊發表了一項題為“Morphodynamics of human early brain organoid development”的突破性研究。該研究通過創新的多色熒光標記標記技術和長時間活體光片顯微鏡成像技術，首次揭示了人類大腦發育過程中組織形態和細胞行為的動態變化過程。值得強調的是，iotaSciences 的單細胞可視化分選培養系統isoCell為該研究的順利開展提供了關鍵技術支撐，其保障的100% 單細胞源性研究起點，是實現實驗結果精準性與可靠性的核心基礎，為深入解析大腦發育的復雜機制奠定了重要技術基石。

單細胞可視化分選培養系統isoCell

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本文研究亮點

1. 100%單細胞源性的研究起點：

在創建 WLS 基因敲除（WLS-KO）的誘導多能干細胞（iPSC）系時，研究人員通過 CRISPR-Cas9 編輯細胞后，利用isoCell單細胞可視化分選培養技術實現了準確的單克隆分離。具體流程為：將編輯后的細胞制備成單細胞懸液（7,500 cells/ml），通過 isoCell 的網格系統進行單細胞分配，分離后的單克隆經擴增和驗證（如測序）后，用于后續類器官培養實驗。

isoCell單細胞可視化分選培養技術的核心優勢在于保障100%的單細胞源性，確保 WLS-KO 細胞系的遺傳均一性，從源頭避免了雜合細胞對實驗結果的干擾，從而為研究 WLS 基因在腦類器官發育中的功能（如區域化、信號通路調控）奠定了可靠的細胞模型基礎。

2. 多色熒光標記技術及長時間高分辨類器官光片顯微鏡的聯合創新應用

研究團隊利用五種不同的誘導多能干細胞（iPSC）系，每種細胞系穩定表達一種特定的熒光標記蛋白，分別標記細胞膜（CAAX-RFP）、肌動蛋白（ACTB-GFP）、微管（TUBA1B-RFP）、細胞核（HIST1H2BJ-GFP）和核膜（LAMB1-RFP）。這種多色標記策略使得在成像過程中能夠同時追蹤多個細胞結構和細胞器的動態變化。圖中展示了不同熒光標記的細胞在類器官中的分布情況，清晰顯示了細胞膜、細胞質和細胞核的邊界，為后續的細胞追蹤和形態分析提供了基礎。通過將標記的iPSC系與未標記的父代iPSC系按2:100的比例混合，形成了多色熒光標記的細胞群體，顯著減少了熒光信號的重疊和干擾，提高了細胞追蹤的精度和分辨率。圖中展示了多色熒光標記標記的類器官生成流程，包括細胞聚集、神經誘導、神經分化和長期成像等步驟，突出了稀疏標記在減少信號干擾方面的優勢（下圖）。

本研究克服了類器官長期活體成像的技術難題，利用長時間高分辨類器官光片顯微鏡實現了對類器官發育過程的高時空分辨率追蹤，連續成像數周而不干擾細胞正常發育。圖中展示了類器官在不同發育階段的成像結果，包括腔隙的形成、擴張和融合等過程，揭示了大腦發育的動態變化（下圖）。

3. 細胞外基質（ECM）的關鍵作用

研究發現，外源性提供的基質（如Matrigel）顯著增強了腔隙的擴張和端腦的形成，而無外源性基質的類器官則表現出形態學上的改變，包括神經嵴和尾側組織特性的增加（下圖）。圖中對比有無Matrigel條件下類器官的發育情況，包括腔隙的大小、數量和分布等差異，揭示了ECM在大腦發育中的重要作用。

4. 細胞形態與行為的動態解析

結合圖像分割和追蹤算法，研究團隊提取了細胞的形態計量學特征（如細胞體積、表面積和軸長比等），量化了細胞在發育過程中的形態變化（下圖）。圖中展示了不同發育階段細胞的形態計量學特征變化，包括細胞體積的增大、軸長比的調整等，揭示了細胞在發育過程中的形態重塑過程。

通過追蹤特定標記細胞的發育軌跡，進一步揭示了神經上皮細胞的分化、神經元的成熟等關鍵命運決定事件（上圖）。圖中展示了細胞在不同發育階段的追蹤結果，包括細胞的遷移路徑、分裂事件和形態變化等，展現了大腦發育的動態過程。

5. 單細胞RNA測序與成像數據的整合分析

本研究將單細胞RNA測序數據與成像數據相結合，通過基因表達特征對細胞類型進行進一步細分和驗證，提高了細胞追蹤和解析的準確性和深度（下圖）。圖中展示了單細胞RNA測序和成像數據的整合分析結果，包括細胞類型的細分、基因表達特征的變化和空間分布模式等，揭示了大腦發育的分子機制。

通過比較不同條件下類器官的基因表達變化，揭示了YAP1和WLS等關鍵基因在大腦發育中的調控作用，為理解大腦發育的分子機制提供了新線索，同時發現基質誘導的區域引導和腔隙形態發生與WNT和Hippo（YAP1）信號通路密切相關，揭示了ECM在大腦區域模式形成中的重要作用。

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研究意義

本研究不僅為理解人類大腦發育的形態動力學提供了新的技術手段和理論依據，還展示了基質介導的神經上皮信號通路在大腦區域模式形成中的重要作用。通過長時間活體成像和單細胞轉錄組分析，揭示了細胞外微環境在類器官發育和模式形成中的復雜調控機制，為未來探索細胞外基質在人類大腦發育中的作用奠定了基礎。

結語

這項突破性研究不僅推動了大腦發育生物學領域的發展，也為類器官技術在疾病建模、藥物篩選和再生醫學等方面的應用提供了新的思路和方法。未來，隨著技術的不斷進步和研究的深入，我們有理由相信，人類將能夠更全面地揭示大腦發育的奧秘，為神經科學和醫學的發展開辟新的道路。

IsoCell 單細胞可視化分選培養技術的核心價值

在本研究中，isoCell單細胞可視化分選培養技術（iotaSciences）用于生成基因編輯單克隆細胞系，在構建 WLS 基因敲除（WLS-KO）誘導多能干細胞（iPSC）時發揮關鍵作用。其核心優勢體現在100%單細胞性上。從單細胞的準確分離，到微型細胞室內的精細培養，再到驗證后的單克隆文化物自動化轉移至96孔板，整個流程一氣呵成，無縫銜接，顯著提高了工作效率。

借助該技術，平臺能夠快速對單細胞進行驗證，并生成詳盡的單克隆性報告，確保了每一個實驗結果都具備高度的可靠性和超卓的質量，為科研數據的準確性提供了堅實保障。同時，該技術確保了 WLS-KO 細胞系的遺傳均一性，避免雜合細胞干擾，為研究 WLS 在腦類器官發育中對 ECM 調控、WNT 信號通路及腦區分化的作用提供可靠模型，其單細胞分離與追蹤功能排除了細胞異質性影響，保障了后續類器官培養實驗中基質擾動、單細胞測序等結果的準確性與可重復性，支撐了 ECM 通過 YAP1-WLS-WNT 通路調控腦類器官區域化結論的機制驗證。

Quantum Design中國作為英國iotaSciences公司在中國區域的獨家代理，將繼續攜手iotaSciences，秉持著為中國科研工作者提供更多優質科研儀器與技術支持的使命，共同推動中國科研事業的蓬勃發展。相信iotaSciences的科研成果將在中國科研領域發揮更加重要的作用，為中國的科技創新與技術進步注入源源不斷的動力。

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