人类大脑在妊娠中期经历了快速的发育过程，由神经干细胞和祖细胞(NSPCs)形成成熟大脑的神经元、少突胶质细胞和星形胶质细胞。

 

近日，Irving L. Weissman团队描述了一种使用细胞表面标记，可以从发育中的人脑中前瞻性分离十种不同NSPC的方法。文章在最新一期的Cell杂志上发表，名为“Purification and characterization of human neural stem and progenitor cells”。

 

 

最近，单细胞技术提供了前所未有的空间和时间分辨率，使得神经干细胞/祖细胞（NSPC）在整个发育过程中的转录组学多样性得到详细描述，产生了人类NSPC的详细图谱。然而，干细胞的定义应该基于它们的功能。干细胞生物学的本质在于能够前瞻性地分离纯细胞群以进行功能表征。因此，作者开发了一种通过荧光激活细胞分选（FACS）来纯化不同NSPC亚群的方法，允许基于十几种细胞表面标记物的定量表达进行前瞻性分离。

 

 

神经干和祖细胞类型的免疫表型定义 

 

为了纯化细胞本质上具有不同NSPC的部分（假设存在的），作者通过机械和酶解将GW17-19人脑组织分离成单细胞悬浮液（见图1A）。然后使用FACS分析染色的细胞悬浮液（见图1B）。在这个孕龄组的十几个样本中，观察到的免疫表型特征非常一致。

 

确定了各种假设的NSPC群体后，作者对其进行了注释（见图1C）。这些转录组定义的细胞类型包括推定的vRG、oRG、星形胶质细胞、前少突胶质细胞前体细胞（pre-OPC）、OPC、少突胶质细胞、中间祖细胞（IPC）以及兴奋性和抑制性神经元谱系细胞（ExN和InN）。通过scRNA-seq验证，他们获得了非常纯的分类细胞群，允许对下游功能的各种假设的NSPC进行前瞻性分离。

 

图1.从发育中的人脑中前瞻性分离出的NSPC

 

 

双能胶质祖细胞的鉴定

 

在scRNA-seq数据中，作者确定了一组细胞，这些细胞表达了星形胶质细胞谱系（GFAP、SLC1A3、HEPACAM和AQP4）以及少突胶质细胞谱系（OLIG1和OLIG2）的基因特征转录本，进而导致他们假设该簇是假定的双能神经胶质祖细胞(GPC)。通过胎儿脑组织的共聚焦成像，能够识别皮质中GFAP和OLIG2染色呈阳性的细胞（图2C）。

 

进一步的免疫染色证实GFAP⁺OLIG2⁺细胞也对HOPX和ETV4染色呈阳性（图2D），这与转录组学发现一致。转录组学鉴定、前瞻性分离以及作者进行的体外克隆分化分析（图2F、G、H）和体内移植（2I、J）结果为胎儿大脑中存在功能双能GPC提供了有力证据。

 

 

图2. 双能神经胶质祖细胞的鉴定

 

 

不同脑区域的NSPC表面标记

 

虽然研究主要集中在皮质上，但他们也试图确定这个净化方案是否适用于特定的皮质区域和皮质下结构。作者从完整的胎儿人脑标本中分离出13个不同的区域（见图3A）。有了这个解剖学注释的数据集，能够确认，绝大多数测序细胞（86%-99%）都是映射到皮质的，未映射到皮质的细胞几乎都由皮质下的星形胶质细胞解释（见图3B-a）。

 

总的来说，作者证明了NSPCs在胎儿大脑中的表面标记可以广泛应用于这个发育阶段的任何大脑结构。

 

 

图3.不同脑区域的NSPC表面标记

 

 

总结与展望

 

作者的数据表明，根据定义的表面标记的表达，NSPC可以前瞻性地从发育中的人脑中分离出来。他们确定了三个主要的神经区室：CD24^-THY1^-/loRG和星形胶质细胞、THY1^hi少突胶质细胞谱系和CD24⁺THY1^-/lo神经元前体，每个都存在进一步的免疫表型异质性（图4）。这些标记在不同的大脑区域中均存在。

 

 

图4.人类胎儿NSPCs的前瞻性分离策略

 

希望这项研究和其他类似研究，能够阐明在神经系统疾病中此类发展是如何出错的——以及如何利用它们来创造新疗法。“对发育中的人脑干细胞和祖细胞的普查实际上才刚刚开始”，加州大学旧金山分校的发育神经科学家Arnold Kriegstein说，“这项工作为了解其中的复杂性提供了一个很好的窗口。”

 

这项研究对增加人类大脑细胞谱系知识的重要贡献。但Kriegstein指出，小鼠体内人类干细胞的发育可能无法完全反映这些细胞在人脑中的发育情况。

 

原文链接：

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

 

参考文献

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.

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