体外培养大脑类器官重现大脑皮层的细胞多样性

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文章信息

今天给大家介绍的文献是哈佛大学和Broad研究所Stanley精神病学研究中心的科学家们2019年6月发表的：Individual brain organoids reproducibly form cell diversity of the human cerebral cortex (Nature 2019 Jun; 570(7762): 523-527)

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该文章介绍了他们新开发的一种培养大脑类器官的技术：用人类干细胞在培养皿中培育出遵循大脑皮层的发育顺序，依次产生包含多个类型的细胞的大脑类器官，这为理解人类的大脑发育过程和治疗大脑疾病提供新的工具。他们对诱导时间为3个月和6个月的21个大脑类器官(brain organoids)的166242个单细胞进行了单细胞RNA测序(scRNA-seq)，采用的10X平台完成。

测序数据介绍

• 样品：21个大脑类器官(brain organoids)，共计166242个单细胞。
  • 建库：Chromium Single Cell 3 Library Gel Bead Kit v.2 (10x Genomics, PN-120237)，
  • 测序：NextSeq 500 instrument (Illumina)
• 测序数据：GSE129519

scRNA-seq上游分析

使用10X Genomics Cell Ranger 2.0.1 pipeline将reads比对到GRCh38人类参考基因组。除了–cells参数，其他参数都使用默认设置，得到相关的细胞-基因计数矩阵。单细胞测序数据统计结果如下图：

聚类和降维

首先对来自于3个月的大脑类器官的78379个单细胞进行聚类分析，然后根据之前的数据集来定义细胞类型，识别出11种细胞类型，使用t-SNE在二维空间中可视化。

对来自于6个月的大脑类器官的87863个单细胞进行同样的分析，识别出13类细胞类型。

可以看出不同批次和不同类型干细胞产生的类器官有着相似的细胞类型。

拟时间分析

使用Monocle package v.2.99.1对大脑类器官的单细胞进行拟时间分析，发现这些细胞的产生遵循精确和可复制的轨迹，在转录上类似于人类胎儿的大脑皮层细胞。

总结 产生这些类器官的干细胞来源于不同的人，所以遗传背景不尽相同。但是95%的类器官产生的细胞类型组成几乎一致，并且它们遵循着相似的、正确的发育轨迹。大脑类器官的这一重大进步为理解人类的大脑发育过程和治疗大脑疾病提供新的工具。