在脑类器官模型中模拟小胶质细胞的自然发育过程

近年来，科学家们利用干细胞衍生的脑类器官模型来研究人类大脑发育和疾病，但这些模型之前被认为主要由来自神经外胚层的细胞类型组成，忽略了中胚层衍生的微胶质细胞在神经发育和疾病中的重要作用。本研究突破了这一限制，展示了在脑类器官模型中微胶质细胞能够自然地发展，并且这些类器官模型中的微胶质细胞在转录组、形态以及对炎症刺激的反应方面与从死后人类大脑组织中分离出的微胶质细胞高度相似，为研究微胶质细胞在人类大脑发育和疾病中的作用提供了一个有价值的工具。

图1通过一系列显微图像展示了从胚胎体到成熟脑类器官的发育过程，以及微胶质细胞（用IBA-1标记）在这些类器官中的出现和成熟。图像从胚胎体形成开始，经过神经诱导、基质嵌入，到转移到旋转生物反应器中继续发育。图中还展示了微胶质细胞从早期的圆形形态（day 31）逐渐发展出明显的分支结构（day 52），并且在类器官中广泛分布。这些图像直观地说明了微胶质细胞在脑类器官中的自然发展过程，以及它们如何随着时间的推移而成熟和分化。

图2展示了在脑类器官中发育的微胶质细胞（称为oMG）以及成人微胶质细胞（adult MG1）的基因表达特征。通过qRT-PCR分析，该图展示了早期微胶质细胞标记物（如RUNX1、IL34、CSF1和TGFB1）在类器官发育过程中的表达变化，以及经典微胶质细胞标记物（如AIF1/IBA-1、CD68、ITGAM/CD11b等）在类器官中oMG的逐渐上升。此外，图2还揭示了oMG与成人MG1在关键微胶质细胞基因表达上的相似性，尽管某些基因如TREM2、P2RY12和TMEM119在oMG中的表达水平与成人MG1相比有显著差异。这些发现支持了oMG在转录组水平上具有与成人MG相似的微胶质细胞身份。

图3通过无监督层次聚类分析、Spearman相关性分析和主成分分析（PCA）展示了从人类大脑类器官中分离出的微胶质细胞（oMG）与成人微胶质细胞（adult MG1）在转录组水平上的相似性。结果显示，oMG在基因表达上与adult MG1高度相似，尤其是在第52天和第119天的oMG样本中。此外，oMG与adult MG1相比，与iPSC来源的微胶质细胞模型（iPSC MG）和胎儿微胶质细胞（fetal MG）的相似性较低。这些分析证实了oMG在转录组水平上与adult MG1的相似性，而与2D iPSC MG模型和fetal MG的相似性较低，表明oMG在3D脑类器官模型中更类似于adult MG1。

图4通过流式细胞术分析了oMG和成人MG的表面标记物表达，并通过磁珠分选（MACS）富集oMG进行后续实验。图中展示了oMG和成人MG在形态学上的相似性，以及它们对炎症刺激（LPS和地塞米松）的响应，通过qRT-PCR检测了促炎因子（IL6和IL1B）和抗炎因子（CD163和MRC1）的表达变化。此外，通过吞噬实验评估了oMG和成人MG的吞噬功能，使用iC3b包被的荧光微球来检测吞噬作用。这些实验结果表明oMG在功能上与成人MG相似，包括炎症反应和吞噬能力，进一步证实了oMG作为研究微胶质细胞在3D脑类器官模型中功能的有效性。

图5通过免疫荧光染色和超分辨率受激辐射耗尽显微术（STED）展示了微胶质细胞（用IBA-1标记）与神经元（用TUJ1标记）之间的相互作用，以及微胶质细胞在脑类器官中对炎症刺激的反应。早期发育阶段的微胶质细胞（IBA-1）与神经元过程（TUJ1）紧密相邻，随着微胶质细胞的分支增加，它们与神经元过程的相互作用变得更加复杂。此外，通过STED成像观察到微胶质细胞过程内部或与之接触的突触后材料（用PSD-95标记），这表明微胶质细胞可能参与了突触的修剪过程。最后，通过将完整的类器官暴露于LPS刺激下，研究了类器官对炎症化合物的反应，发现LPS刺激后24小时和72小时，IL6和TNF-α的释放显著增加，而IL10的水平没有显著变化，这进一步证实了类器官模型在研究微胶质细胞功能和炎症反应方面的潜力。

本研究成功地在脑类器官模型中自然培养了微胶质细胞，这些细胞展现出了典型的分支形态和微胶质细胞特有的分子表型。这些类器官模型中的微胶质细胞在转录组层面与从成人大脑组织中分离的急性微胶质细胞高度相似，并且能够响应炎症刺激，表现出吞噬功能。此外，这些微胶质细胞与神经元形成了功能性相互作用，为研究微胶质细胞在人类大脑发育和疾病中的作用提供了一个有价值的工具。

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