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干细胞系列小知识(XXXXXXXⅤ)-外胚层类器官的研究进展

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干细胞系列小知识(XXXXXXXⅤ)-外胚层类器官的研究进展

干细胞系列小知识(XXXXXXXⅤ)-外胚层类器官的研究进展

一米生物

2026-04-28

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导读：我们将分多期内容分享传递更新、更全面的干细胞研究和应用信息，建议收藏！

外胚层类器官的研究进展

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脑类器官

脊椎动物的中枢神经系统源自神经外胚层。神经外胚层产生神经板，神经板折叠并融合形成神经管。神经管是具有顶基极性的上皮，围绕充满流体的内腔径向组织，最终形成脑室。中枢神经系统的轴是由形态发生梯度的协同作用建立的，例如腹背音猬因子-Wnt/骨形态发生蛋白(sonic hedgehog-wnt/bone morphogenetic protein,Shh-Wnt/BMP)轴，以及视黄酸(retinoic acid,RA)和成纤维细胞生长因子(fibroblast growthfactor,FGF)等因素影响的头尾轴^[1]。这些轴使上皮管细分为 4 个主要区域，即前脑、中脑、后脑和脊髓。前脑发育为人类大脑的大部分，包括新皮层、海马和腹侧脑末梢结构，例如杏仁核和下丘脑。中脑发育为顶盖，而后脑发育为小脑、脑桥、延髓和脑干。

在过去的几年中，3D 培养方法已被广泛用于研究脑组织。Cyranoski 等从小鼠或人的多能干细胞中以 3D 方式培养了各种孤立的大脑区域^[2]。从拟胚体(embryonicbody,EB)开始，可以从神经外胚层生成特定的大脑区域。具体而言，通过将小鼠^[3]或人类^[4]胚胎 2D 铺板并检查贴壁细胞来生成前脑组织。但是，如果允许聚集体继续以 3D 模式生长，则聚集体会形成更复杂的结构^[5]，最终产生背侧前脑。最近的研究进一步改进了这种方法^[6]，显示出神经元分层，让人联想到早期大脑皮层的发育。

其他区域也可以通过用生长因子模拟内源性自组织生成。例如，Shh 信号驱动腹侧前脑组织^[7]。另外，可以通过用 BMP4 和 Wnt3a 处理以生成颗粒神经元^[8]或通过抑制 Shh 来生成小脑浦肯野细胞来生成小脑类器官^[9]。相反，降低诸如血清蛋白之类的外源性生物活性因子会促进下丘脑的发生^[10]。因此，通过在 EB 阶段刺激神经外胚层，然后施加特定的生长因子，可以生成各种单独的大脑区域类器官。

图1 外胚层类器官的研究进展

异质性神经类器官，也称为大脑类器官，包含多个不同的大脑区域^[11]。该方法也从 EB 开始，但是未添加生长因子来驱动特定的大脑区域。该方法受肠类器官培养过程的影响，即将组织嵌入基质胶中，基质胶提供的细胞外基质(extracellularmatrix,ECM)促进神经上皮的生长，然后扩大并发育成大脑的各个区域。在旋转的生物反应器中生长时，改善了养分和氧气的交换，大脑类器官可以达到几毫米的大小。这种扩展允许形成各种大脑区域，包括视网膜、背皮质、腹侧前脑、中脑-后脑边界、脉络丛和海马体。

将大脑类器官模式化到特定的大脑区域，然后融合成一个集合体，可再现人类大脑发育和神经疾病更复杂的生物学过程的可再生模型^[12]。这种方法已被应用于神经元间迁移^[13]、神经元投射^[14]、肿瘤侵袭^[15]、少突胶质发生^[16]、前脑轴建立^[17]和脑血管形成^[18]等模型。

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视网膜类器官

视网膜是眼睛接受光线的神经区域，来自神经外胚层。与其他类器官培养方法一样，多能干细胞衍生的视网膜类器官的进化是建立在发育生物学基础之上的。在培养基中衍生 EB，以产生神经外胚层^[19]。将一定数量的基质胶溶解在培养基中，形成更硬的神经上皮组织，这是视网膜色素上皮形成的先决条件。这促进了类似视神经囊的视网膜原始组织芽的形成。由此产生的视杯状器官非常类似早期视网膜。它们显示了神经视网膜和视网膜色素上皮标记物，具有适当的根尖-基底极性的视网膜分层，并经历了形态学组织形状的变化，模拟视杯在体内的逐步外翻和内陷。

从人多能干细胞中产生视杯类器官^[20]表现出许多与小鼠视网膜相同的特征。人类视网膜类器官比小鼠类器官更大，它们需要更多的时间来发育，并且它们表现出某些组织形态的差异，如顶端核的位置。

Decembrini 等^[21]报道了一种组织工程方法，通过在最佳的物理化学微环境中培养小鼠胚胎干细胞来加速和标准化视网膜类器官的生产。由仿生水凝胶组成的排列圆形底微孔，结合优化的培养基配方，以高效和固定的方式促进小鼠胚胎干细胞聚集体快速生成视网膜样组织。在二维阵列上将视网膜类细胞划分为预先定义的位置，不仅可以使我们获得视网膜类细胞中几乎所有的聚集物，而且可以可靠地捕获单个类器官的动态。

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皮肤类器官

皮肤系统由皮肤和它的附属物组成。皮肤由两层组成，表皮和真皮，真皮产生附属物，如毛囊、汗腺和指甲。皮肤的表皮起源于外胚层，而真皮层有不同的胚层组织起源。身体大部分真皮组织起源于旁轴和侧板中胚层，而面部真皮则起源于脑神经嵴细胞^[22-24]。无论真皮来源如何，所有皮肤类型都需要上皮细胞(表皮细胞)和间充质细胞(真皮细胞)的相互作用，完成最终发育和形成附属物。在动物模型中，含毛囊的啮齿动物皮肤可以通过共培养间充质细胞和上皮细胞，特别是毛囊启动真皮乳头细胞来重建^[25-28]。

目前，体外皮肤衍生策略的重点是首先从分离培养的多能干细胞中生成角质形成细胞和成纤维细胞，然后将两种类型的细胞结合形成类似皮肤的双层细胞^[29-32]。最近，Koehler 等开发了一种 3D 小鼠胚胎干细胞培养方案，能够产生颅表上皮细胞。在培养过程中，也产生了间充质细胞和神经细胞的异质群体^[33,34]。利用这项技术，他们已经报道了如何产生内耳类器官，这些器官包含出生后小鼠前庭器官的感觉上皮^[33,35]。

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参考文献

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