Cell Stem Cell | 用两种信号模拟大脑发育：类脑器官中脑区形成的奥秘

神经系统发育是一个高度复杂且精细调控的过程，其中脑部区域的形成和细胞命运的决定受到多种形态发生素（morphogens）梯度的调控。WNT和SHH是两种关键的形态发生素，它们分别沿着前后轴（antero-posterior axis）和背腹轴（dorso-ventral axis）形成梯度，调控神经管中不同脑区和神经细胞类型的形成。然而，目前对于人类大脑区域化和细胞命运决定的分子机制仍缺乏全面的理解，尤其是在体外模型中模拟这些复杂过程的挑战依然存在。近年来，类脑器官（brain organoids）技术的发展为研究人类大脑发育提供了新的工具，但如何在类脑器官中精确模拟体内发育过程中的形态发生素梯度仍然是一个亟待解决的问题。

近日，国际权威期刊Cell Stem Cell上在线发表了题为“Specification of human brain regions with orthogonal gradients of WNT and SHH in organoids reveals patterning variations across cell lines”的最新研究成果。该研究开发了一种名为Duo-MAPS（Dual Orthogonal-Morphogen Assisted Patterning System）的双正交形态发生素辅助模式系统，通过同时施加WNT和SHH两种形态发生素的梯度，模拟体内神经管发育过程中的前后轴和背腹轴信号调控，从而在人类诱导多能干细胞（iPSC）来源的类脑器官中重现大脑不同区域（前脑、中脑和后脑）的神经细胞谱系。研究发现，WNT和SHH信号的交叉对话能够激活早期基因表达程序，驱动特定脑区细胞命运的特异性分化，并且不同iPSC细胞系对形态发生素的响应存在显著的个体间和细胞系间差异。这些发现不仅为研究人类大脑发育提供了新的体外模型，也为理解神经发育障碍的遗传和表观遗传基础提供了新的视角。

研究者们设计了一种名为Duo-MAPS的扩散装置，通过在封闭的培养区域周围设置多个储液池，能够同时在水平和垂直方向上形成WNT和SHH两种形态发生素的梯度。该装置由五个相互连通的培养室组成，通过在培养室周围设置储液池，分别加入WNT激动剂CHIR和SHH蛋白，从而在培养区域形成稳定的双梯度。通过模拟和实验验证，研究者们确认了该装置能够有效维持稳定的形态发生素梯度，并且不会因为细胞的存在而破坏梯度的稳定性。

研究者们将iPSC来源的胚状体（EBs）嵌入Duo-MAPS装置的培养区域，并暴露于WNT和SHH梯度中。经过5天的模式化处理后，研究者们在第9天对类脑器官进行了批量RNA测序（bulk RNA-seq）分析，并在第64天进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析。结果显示，Duo-MAPS模式化的类脑器官在基因表达水平上重现了前脑、中脑和后脑的区域特异性，包括多种转录因子（如FOXG1、EMX2、EN1、WNT1等）的梯度表达模式。这些结果表明，WNT和SHH信号的交叉作用能够有效触发早期基因表达程序，驱动特定脑区细胞命运的特异性分化。

研究者们发现，不同iPSC细胞系对WNT和SHH梯度的响应存在显著差异。一些细胞系表现出对WNT或SHH的高敏感性，而另一些细胞系则表现出低敏感性。这种差异可能与细胞系的遗传背景和表观遗传状态有关。通过对比不同细胞系在Duo-MAPS系统中的表现，研究者们发现，细胞系间的差异主要体现在WNT响应上，而SHH响应的差异相对较小。这种细胞系特异性的形态发生素响应差异可能解释了为什么在不同的类脑器官研究中观察到的细胞类型和区域化模式存在差异。

为了进一步验证Duo-MAPS模式化的类脑器官在功能上的区域特异性，研究者们对来自前脑（C5D）和基底神经节（C4V）区域的类脑器官进行了钙成像分析。结果显示，前脑区域的类脑器官表现出更高的神经元活动同步性，而基底神经节区域的类脑器官则表现出较低的同步性，这与体内相应脑区的神经网络特性一致。此外，研究者们还发现，基底神经节区域的类脑器官中GABA能神经元的比例更高，这可能是导致其神经元活动同步性较低的原因之一。这些结果表明，Duo-MAPS模式化的类脑器官不仅在基因表达水平上重现了大脑不同区域的特征，还在功能上表现出区域特异性。

综上所述，本研究通过开发Duo-MAPS系统，成功地在体外模拟了人类大脑发育过程中的WNT和SHH形态发生素梯度，实现了类脑器官的区域化和细胞命运的特异性分化。研究结果不仅为研究人类大脑发育提供了新的工具和模型，还揭示了iPSC细胞系特异性的形态发生素响应差异，这对于理解神经发育障碍的遗传和表观遗传基础具有重要意义。此外，Duo-MAPS模式化的类脑器官在功能上表现出区域特异性，进一步证明了其作为研究人类大脑发育和相关疾病模型的潜力。

图 本研究模式图

原始出处：

Specification of human brain regions with orthogonal gradients of WNT and SHH in organoids reveals patterning variations across cell lines. Cell Stem Cell. 2025 Apr 28:S1934-5909(25)00141-9. doi: 10.1016/j.stem.2025.04.006. Epub ahead of print. PMID: 40315847.