摘要：2023年10月10日，清华大学深圳国际研究生院马少华教授团队在期刊Cell Systems（IF:9.3）发表了一篇题为“Volumetric compression by heterogeneous scaffold embedding promotes
文章介绍
2023年10月10日，清华大学深圳国际研究生院马少华教授团队在期刊Cell Systems（IF:9.3）发表了一篇题为“Volumetric compression by heterogeneous scaffold embedding promotes cerebral organoid maturation and does not impede growth”的文章。
亮点
· 报告了一种对大脑类器官发育进行体积压缩的方法。
· 压缩由非常柔软的惰性藻酸盐包裹提供。
· 压缩不会阻碍类器官的生长，反而会刺激其生长。
· 压迫可明显促进脑类器官中神经组织的成熟。
#1
摘要
Abstract
为了准确复制自然界中观察到的类器官动态发育过程，本研究提出了一种使用藻酸盐壳-基质胶核心的包埋方法。这种方法允许内层进行细胞-基质胶重塑，并通过柔软的藻酸盐外层提供短期的适度压缩。结果表明，有时间限制的封闭有助于神经元标记物（如NF和MAP2）的表达增加。与非藻酸盐包埋组和藻酸盐压缩组相比，体积增长仍然不受阻碍。机械压缩暂时调节了大脑类器官的生长，使其呈现出有规律的生长曲线，并增强了成熟度。这些结果突显了机械性调控在建立脑类器官中的重要性和潜在的实际应用。
图文摘要
#2
研究思路
Methods
通过使用软性海藻酸盐对脑类器官进行压缩培养，以促进其生长和发育。研究人员通过对脑类器官的RNA测序和免疫荧光染色等技术，研究了压缩培养对其基因表达和细胞类型分化的影响。通过这种方法，研究人员希望能够提高脑类器官的成熟度，为研究神经系统疾病提供更好的模型。主要研究方法包括：
1. 细胞培养：使用人类诱导多能干细胞（hiPSC）进行细胞培养，以制备脑类器官。
2. 压缩培养：使用软性海藻酸盐对脑类器官进行压缩培养，以促进其生长和发育。
3. 流变学测试：使用流变仪对海藻酸盐和基质胶进行时间和剪切应变扫描，以评估其流变学特性。
4. RNA测序：对脑类器官进行RNA测序，以研究压缩培养对其基因表达的影响。
5. 免疫荧光染色：使用免疫荧光染色技术对大脑类器官进行标记，以观察其细胞类型和分化状态。
6. 细胞增殖实验：使用细胞增殖实验评估大脑类器官的增殖能力。
7. 数据分析：对RNA测序数据进行分析和统计处理，以研究压缩培养对基因表达的影响。
#3
主要结果
Results
通过力学特性选择压缩海藻酸盐
研究人员使用流变仪对海藻酸盐和基质胶进行时间和剪切应变扫描，发现海藻酸盐基质具有较低的刚度和较高的延展性，能够在一定程度上抵抗脑类器官的生长和膨胀，同时又不会对其生长和发育产生明显的抑制作用。此外，海藻酸盐不会被MMP降解，更加稳定，适合长期培养。
图1 海藻酸盐和基质胶的力学表征。（A-D）不同浓度下海藻酸盐凝胶化过程的储存模量（G0）和损失模量（G00）变化曲线。(E)在5 min内温度从4度稳定升高到37度时，基质胶凝胶过程的Gʹ和G’’变化曲线。(F)海藻酸盐与基质凝胶储存模量的比较。（GH）不同海藻酸盐浓度和基质胶下的剪切模量(G)和失效应变(H)。
海藻酸盐压缩培养不会阻碍脑类器官的生长
研究人员在实验中使用了0.1%浓度的海藻酸盐，将脑类器官包裹在海藻酸盐中进行压缩培养。实验结果显示，在这种压缩条件下，脑类器官的生长和发育并没有受到明显的抑制，相反，其神经干细胞数量和成熟度得到了显著提高。这可能是因为使用软而薄的海藻酸盐可以提供一定的机械约束，促进细胞的分化和组织的成熟，同时又不会对其生长和发育产生明显的抑制作用。
图2 脑类器官的生成和海藻酸盐的封装。(A)生成脑类器官的方案示意图。用基质胶包埋12小时后，球状体，即类器官前体，嵌入海藻酸盐壳。(B)海藻酸盐凝胶封装过程示意图。(C)差分界面对比（DIC）图像显示了在没有（Mg组）和存在（Mg+Alg组）时，类器官的形态变化。(D)一个没有海藻酸盐壳的类器官（Alg）和一个封装在海藻酸盐基质胶（+Alg）中2天的比较。(E)定量曲线描述了不同时间点Mg组和Mg+Alg组脑类器官的生长情况。(F)在第35天，在Mg组和Mg+Alg组脑类器官的直径。
图3 海藻酸盐壳包裹脑类器官的测定。(A)用GFP荧光颗粒标记的海藻酸盐壳层。(B)测厚方法示意图。(C)培养期第0、1、3、5天海藻酸盐壳厚度的定量。(D)在整个培养期的28天内保留的完整壳的比例。
通过压缩培养改变脑类器官的转录组谱
研究人员在实验中使用了软性海藻酸盐对脑类器官进行压缩培养，并通过RNA测序技术对其进行了转录组分析。实验结果显示，在压缩培养条件下，脑类器官的基因表达谱发生了显著变化，共有318个基因表达发生了差异，其中220个基因上调，98个基因下调。这些差异表达基因主要与内部区域的发育相关。这表明，通过压缩培养可以改变脑类器官的基因表达谱，从而影响其细胞类型分化和组织发育。
图4 Mg+Alg和Mg组差异基因表达分析。(A)RNA-seq表达数据的热图，显示差异表达基因（DEG）。(B)条形图显示Mg+Alg和Mg组之间的DEG数量。(C)火山图显示了Mg+Alg组和Mg组之间RNA-seq表达的log2倍变化以及统计学意义。(D)Mg+Alg和Mg组之间DEG中最富集的通路。
适度的体积压缩增加神经干细胞数量和腔室生长
研究人员发现，适度的体积压缩可以促进脑类器官的发育，导致组织扩张和神经成熟。他们将脑类器官包埋在藻酸盐外壳-基质胶核心结构的异质凝胶网络中至少5天，这样既能保持来自细胞近端基质胶的生化信号，又能保持来自外层藻酸盐的机械约束。藻酸盐层很薄，非常柔软，与基质胶和脑组织的机械特性相匹配。在这种包裹下，与无压缩的类器官相比，脑类器官的生长没有受到阻碍，表明适度的体积压缩可以增加神经干细胞数量和类器官腔的生长。
图5 细胞分裂标志物EdU和Ki67的鉴定和定量。(A)荧光图像突出显示细胞分裂标记物EdU和Ki67的存在。（BC）EdU/Ki67信号强度的定量测量。
图6 藻酸包裹增加神经干细胞数量。（A)免疫染色图像显示神经干细胞标记物Nestin的表达。(B)对不同组间巢蛋白信号的相对强度进行定量分析。(C)PKCz的共聚焦图像。(D)来自(C)的放大区域，显示灰度的PKCz信号。(E)结构示意图和PKCz蛋白在顶端的位置。(F)PKCz蛋白阳性的顶端长度的定量。
图7 海藻酸盐基质胶包裹促进神经元分化。（A）第35天，类器官中轴突标记物神经丝（NF）表达的共聚焦图像。(B)定量检测NF的表达水平。(C)在第35天，神经元细胞标记物，微管相关蛋白-2（MAP2）的免疫染色图像。(D)两组MAP2表达水平的定量分析。(E)MAP2和DAPI免疫染色和透射光通道（TD）的合并共聚焦图像。(F)(E)的区域放大。
总结
这项研究有可能改善脑类器官的发育。脑类器官是一种模仿人脑复杂性的三维结构，可用于研究大脑发育和疾病。研究人员的发现表明，使用柔软的藻酸盐进行适度的压缩培养可以促进脑类器官的生长和成熟，从而可以更准确地模拟人类大脑的发育和疾病。这可能对神经系统疾病新疗法的开发和新药测试产生重大影响。总之，这项研究提供了一种很有前景的新方法，可以改善脑类器官的发育，促进我们对人脑的了解。
参考信息
Volumetric compression by heterogeneous scaffold embedding promotes cerebral organoid maturation and does not impede growth.Cell Syst. 2023 Oct 18;14(10):872-882.e3. doi: 10.1016/j.cels.2023.09.004.PMID: 37820730.
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来源：培养盒守护者